DE102021004840A1 - Process and device for monitoring the life cycle of structures made of monolithic concrete or concrete elements, preferably in tunnel construction - Google Patents
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Abstract
1. Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung des Lebenszyklus von Bauwerken aus monotithischen Beton oder Betonelementen vorzugsweise im Tunnelbau.2.1. Aufgabe ist es, eine geeignete Bauwerksüberwachungseinrichtung zu schaffen, die unabhängig von den Anisotropien der Baukörper, über einen langen Zeitraum, während des gesamten Lebensdauerzyklus, die Messung der Spannungen unterschiedlicher Wirkungsrichtungen innerhalb der Baukörper und Bauwerke ermöglicht und durch den Vergleich und Analyse der gemessenen Werte mit älteren Werten mögliche Schädigungen früh erkennt.Das Monitoring besteht aus der Überwachung der Spannungszustände, der Temperatur und der Feuchte im Baukörper. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann schon bei der Fertigung der Bauwerke oder Betonelemente online und in-situ Messwerte drahtlos erfassen. Im Tunnelbau kann der vollständige Lebenszyklus von der Fertigung der Tübbings, über den Einbau hinter der TBM und während der gesamten Lebensdauer des Bauwerkes lückenlos erfasst werden.Weiterhin sollen zur Überwachung des Lebenszyklus des Bauwerkes zusätzliche wichtige Einflussgrößen, wie Temperatur und Feuchte erfasst werden.Die Stromversorgung und die Datenübertragung soll kabellos erfolgen2.2. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein oder mehrere Ultraschallsensoren aus einer PVDF-Folie auf einem Messkörper befestigt sind und in unterschiedlichen Richtungen die Radial-, Tangential- und Axialspannung über die Laufzeit der Ultraschallsignale innerhalb der Messkörper hochauflösend bestimmen.1. Method and device for monitoring the life cycle of structures made of monolithic concrete or concrete elements, preferably in tunnel construction.2.1. The task is to create a suitable structure monitoring device that, independent of the anisotropies of the structure, over a long period of time, during the entire service life cycle, allows the measurement of the stresses of different directions of action within the structure and structures and by comparing and analyzing the measured values with Older values identify possible damage at an early stage. The monitoring consists of monitoring the stress states, the temperature and the humidity in the structure. The device according to the invention can already wirelessly record measured values online and in situ during the production of the structures or concrete elements. In tunnel construction, the complete life cycle can be recorded seamlessly, from the manufacture of the segments, to installation behind the TBM and throughout the entire service life of the structure. In addition, additional important influencing variables such as temperature and humidity should be recorded to monitor the life cycle of the structure. The power supply and the data transmission should be wireless2.2. The task is solved in that one or more ultrasonic sensors made of a PVDF film are attached to a measuring body and determine the radial, tangential and axial stress in different directions over the transit time of the ultrasonic signals within the measuring body with high resolution.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung des Lebenszyklus von Bauwerken aus monotithischen Beton oder Betonelementen vorzugsweise im Tunnelbau.The invention relates to a method and a device for monitoring the life cycle of structures made of monolithic concrete or concrete elements, preferably in tunnel construction.
Das Monitoring besteht aus der Überwachung der Spannungszustände, der Temperatur und der Feuchte im Baukörper. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann schon bei der Fertigung der Bauwerke oder Betonelemente online und in-situ Messwerte drahtlos erfassen. Im Tunnelbau kann der vollständige Lebenszyklus von der Fertigung der Tübbings, über den Einbau hinter der TBM und während der gesamten Lebensdauer des Bauwerkes lückenlos erfasst werden.The monitoring consists of monitoring the stress states, the temperature and the humidity in the structure. The device according to the invention can already wirelessly record measured values online and in situ during the production of the structures or concrete elements. In tunnel construction, the entire life cycle can be seamlessly recorded, from the production of the segments to installation behind the TBM and throughout the entire service life of the structure.
Stand der TechnikState of the art
Zur Spannungsermittlung an Bauwerken gibt es außer dem Umweg der Ermittlung geometrischer Größen mit optischen Geräten (Dehnungsmessung mit Faseroptischen-Sensoren oder Dehnmessstreifen) für die Erfassung der Bewegung von Bauteilen auch noch die Längenmessverfahren mit Schwingseiten oder faseroptischen Sensoren.In addition to the detour of determining geometric quantities with optical devices (strain measurement with fiber optic sensors or strain gauges) for detecting the movement of components, there are also length measurement methods with vibrating sides or fiber optic sensors for determining stress on buildings.
Verfahren mit Dehnmessstreifen messen nur geometrische Veränderungen auf der Oberfläche von Bauwerken.Strain gauge methods only measure geometric changes on the surface of structures.
Sollen mechanische Spannungen innerhalb von Bauwerken aus Beton gemessen werden sind diese ungeeignet.If mechanical stresses are to be measured within concrete structures, these are unsuitable.
Verfahren mit faseroptische Sensoren sind aufwendig und mechanisch anfällig auf die Verletzung des Lichtwellenleiters.Methods with fiber optic sensors are complex and mechanically susceptible to damage to the fiber optic cable.
Zum Stand der Technik gehört auch die allgemeine Empfehlung zur Durchführung von Spannungsmessungen mit dem Schlitzentlastungs- und Kompensationsverfahren.The state of the art also includes the general recommendation to carry out stress measurements using the slot unloading and compensation method.
Prädestinierte Objekte für das Verfahren sind unverwitterte Felsoberflächen, frische Ausbruchsflächen über- oder untertage, Ausbauschalen von Tunneln sowie, ganz generell, jede Art von Bauwerksteilen. Aus den versuchstechnisch ermittelten Randspannungen kann u.U. auf den Ausnutzungsgrad der Bauwerksteile hinsichtlich ihrer Tragfähigkeit und damit auf die Sicherheit des geotechnischen Objekts geschlossen werden.Objects predestined for the process are unweathered rock surfaces, freshly excavated surfaces above or below ground, lining shells of tunnels and, in general, all types of structural parts. From the experimentally determined edge stresses, conclusions can be drawn about the degree of utilization of the building parts with regard to their load-bearing capacity and thus the safety of the geotechnical object.
Dabei werden die Entlastungsverschiebungen infolge Sägeschlitz durch den Kissendruck kompensiert. Wenn der ursprüngliche Zustand wieder erreicht ist, ist der Innendruck des Druckkissens p ein Maß für die lokale Normalspannung an senkrecht zum Sägeschlitz am Rand des Bauwerkteils. Die Auswertung der Versuchsergebnisse erfolgt nach Gleichung:
- σn = Normalspannung am Ausbruchsrand des Gebirges oder Bauteils
- p = Öldruck im Kissen bei vollkommener Kompensation
- Km = Formkonstante des verwendeten Druckkissens
- Ka = AJ /AC (Verhältnis zwischen Kissenfläche AJ und Schlitzfläche AC)
- σn = normal stress at the fracture edge of the rock or component
- p = oil pressure in the cushion at full compensation
- Km = shape constant of the pressure pad used
- Ka = AJ /AC (ratio between pad area AJ and slot area AC)
Diese Verfahren besitzt erhebliche Nachteile:
- - Es ist ungeeignet zur Messung primärer (absoluter) Spannungszustände.
- - Es ist beschränkt auf direkt zugängliche Oberflächenmesspunkte.
- - Es ist ungeeignet für gestörtes, zerklüftetes, zerbrochenes, weiches und zur Verwitterung neigendes Gebirge.
- - Kein online Monitoring.
- - Es beschädigt das Bauwerk hinsichtlich der Dichtheit gegenüber Wasserzuflüssen.
- - It is unsuitable for measuring primary (absolute) stress states.
- - It is limited to directly accessible surface measurement points.
- - It is unsuitable for disturbed, jagged, broken, soft and weather-prone mountains.
- - No online monitoring.
- - It damages the structure in terms of tightness against water inflows.
Andere moderne elektronische Verfahren messen zum Beispiel mit Ultraschall.Other modern electronic methods measure with ultrasound, for example.
Die
Methoden, die direkt die Ultraschallgeschwindigkeit in Bauwerken (meist Betonkörper) messen, sind sehr von den Eigenschaften des inhomogenen Baustoffes abhängig. So werden Messungen zur Festigkeit und des Abbindeverhaltens von Beton gemacht. Anwendungen zur Spannungsmessung an Beton in Bauwerken gibt es praktisch nicht. Mobile Messungen an Pfeilern oder Fundamenten scheitern, weil durch Inhomogenitäten des Baukörpers keine Vergleichbarkeit der Messung möglich ist.Methods that directly measure the ultrasonic velocity in structures (mostly concrete bodies) are very dependent on the properties of the inhomogeneous building material. This is how measurements are made of the strength and setting behavior of concrete. There are practically no applications for stress measurement in concrete in buildings. Mobile measurements on pillars or foundations fail because inhomogeneities in the structure make it impossible to compare the measurements.
In der Patentschrift
Die vorgenannte Methode ist zur in-situ Messung von Spannungszuständen und Spannungsumlagerungen in oder an Bauwerken nicht geeignet.The above method is not suitable for the in-situ measurement of stress states and stress redistribution in or on structures.
Weiterhin sind im Stand der Technik die Druckabhängigkeit der Eigenschaften der Wellenausbreitung in unterschiedlichen Medien bekannt. Mit der Messung der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Kompressions- und/oder Scherwellen können richtungsabhängige Drücke und Spannungen gemessen werden. Anisotropien, Risse, Porenwasser etc. beeinflussen markant diese Messungen.Furthermore, the pressure dependence of the properties of the wave propagation in different media are known in the prior art. Direction-dependent pressures and stresses can be measured by measuring the propagation speed of compression and/or shear waves. Anisotropies, cracks, pore water, etc. significantly influence these measurements.
Der messtechnische Einfluss von wechselnden Porositäten oder Feuchtegehalten kann weitüber dem spannungsabhängigen Anteil des Messeffektes liegen.The metrological influence of changing porosity or moisture content can be far greater than the voltage-dependent portion of the measurement effect.
Für die breite Anwendung der Messung von Ausbreitungsgeschwindigkeiten von Ultraschallwellen muss daher der Einfluss wechselnder Betongüten und Zusammensetzungen möglichst ausgeschlossen werden.For the broad application of the measurement of propagation speeds of ultrasonic waves, the influence of changing concrete qualities and compositions must therefore be ruled out as far as possible.
Aufgabenstellungtask
Aufgabe der Erfindung ist es, eine geeignete Bauwerksüberwachungseinrichtung zu schaffen, die unabhängig von den Anisotropien der Baukörper, über einen langen Zeitraum, während des gesamten Lebensdauerzyklus, die Messung der Spannungen unterschiedlicher Wirkungsrichtungen innerhalb der Baukörper und Bauwerke ermöglicht und durch den Vergleich und Analyse der gemessenen Werte mit älteren Werten mögliche Schädigungen früh erkennt.The object of the invention is to create a suitable structure monitoring device which, regardless of the anisotropies of the structures, over a long period of time, throughout the entire service life cycle, allows the measurement of the stresses of different directions of action within the structures and structures and by comparing and analyzing the measured Values with older values detect possible damage early.
Flachliegende Tunnel in weichen Böden, wie Absenktunnel durch Meeresengen, verlangen eine besondere Aufmerksamkeit bei der Planung des Monitorings.Flat-lying tunnels in soft soil, such as immersed tunnels through straits, require special attention when planning the monitoring.
Die Wirkung von Bodenbewegungen auf die Tunnelbauwerke hat großen Einfluss auf die resultierenden Kräfte und mechanischen Spannungen innerhalb der Tunnelsegmente und an den Stoßstellen.The effect of ground movements on the tunnel structures has a major impact on the resulting forces and mechanical stresses within the tunnel segments and at the joints.
Weiterhin sollen zur Überwachung des Lebenszyklus des Bauwerkes zusätzliche wichtige Einflussgrößen, wie Temperatur und Feuchte erfasst werden.Furthermore, additional important influencing factors such as temperature and humidity are to be recorded in order to monitor the life cycle of the building.
Die Stromversorgung und die Datenübertragung soll kabellos erfolgen The power supply and data transmission should be wireless
Die Lösung der gestellten Aufgabe ist in den gekennzeichneten Merkmalen der Ansprüche 1 und 2 beschrieben.The solution to the problem is described in the characterizing features of claims 1 and 2.
Die weiteren Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wieder.The further claims reflect advantageous developments of the device for carrying out the method according to the invention.
Ein Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Überwachung des Lebenszyklus von Betonelementen, vorzugsweise im Tunnelbau ist die Messung der mechanischen Spannung durch die Langzeitbeobachtung und des Vergleiches von Spannungsmessungen innerhalb der Bauwerke mittels Ultraschall, beruhend auf dem akustoelastischen Effekt. Die Laufzeit eines Ultraschallimpulses innerhalb von inhomogen Bauwerken wird in homogenen und isotropen Messkörpern gemessen. Die Schallgeschwindigkeit der Ultraschallwellen ist abhängig von den elastischen Spannungen innerhalb des Messkörpers.A feature of the method according to the invention for monitoring the life cycle of concrete elements, preferably in tunnel construction, is the measurement of the mechanical stress through long-term observation and comparison of stress measurements within the structures using ultrasound, based on the acoustoelastic effect. The transit time of an ultrasonic impulse within inhomogeneous structures is measured in homogeneous and isotropic measuring bodies. The speed of sound of the ultrasonic waves depends on the elastic stresses within the measuring body.
Verwendet man als Messmedium ein elastisches nicht komprimierbares Medium, zum Beispiel einen Festkörper bekannter Zusammensetzung und ohne Anisotropien im Schallweg, kann man durch die Ermittlung der Schallgeschwindigkeitsänderung die mechanischen Spannungen im umgebenden Bauwerk ermitteln. Voraussetzung für diese Messung ist der form- und kraftschlüssige Schluss der Messkörper mit dem Bauwerk.If an elastic, non-compressible medium is used as the measuring medium, for example a solid of known composition and without anisotropies in the sound path, the mechanical stresses in the surrounding structure can be determined by determining the change in the speed of sound. The prerequisite for this measurement is the positive and non-positive connection of the measuring body with the building.
Die Verbindung der Messkörper kann durchspeziellen Zement, zum Beispiel durch Einbetten in Bauteile, durch kraft- und formschlüssige Verbindungen, wie bei Auflagern von Bauteilen oder Widerlagern von Brücken erfolgen.The measuring bodies can be connected using special cement, for example by embedding them in components, using force-locking and form-fitting connections, such as when components are supported or bridges are supported.
Das Medium zur Aufnahme der Messkörpersoll inkompressibel und homogen sein. Das kann zum Beispiel ein Kunststoff mit geeigneter Festigkeit, ein Metall oder auch ein Kunststein (Beton) sein.The medium for receiving the measuring body should be incompressible and homogeneous. This can be, for example, a plastic with a suitable strength, a metal or an artificial stone (concrete).
Bei organischen Kunststoffen besteht das Problem darin, dass viele Hochpolymere neben dem elastischen Verhalten auch ein plastisches Verhalten zeigen. Bedingung für den Einsatz von Kunststoffen ist eingenügend großes E-Modul und ein elastisches Verhalten. Kriechfähige Kunststoffe sind für die Messung der Schallgeschwindigkeit ungeeignet.The problem with organic plastics is that many high polymers also show plastic behavior in addition to elastic behavior. A condition for the use of plastics is a sufficiently large modulus of elasticity and elastic behavior. Plastics capable of creep are unsuitable for measuring the speed of sound.
Weiterhin wird eine geringe Ultraschalldämpfung gefordert.Furthermore, a low ultrasonic damping is required.
Zur Erzielung einer hohen Auflösung werden möglichst kurze Sendeimpulse und steile Flanken des Empfangsimpulses benötigt. Das setzt eine gute Ultraschall-Leitfähigkeit der Messstrecken oder Messkörper voraus.In order to achieve a high resolution, transmission pulses that are as short as possible and steep flanks of the reception pulse are required. This requires good ultrasonic conductivity of the measuring sections or measuring bodies.
Beim Einsatz von Metallen werden diese Forderungen weitestgehend erfüllt.When metals are used, these requirements are largely met.
Die Krafteinleitung über die Außenflächen in die Messkörper und die damit verbundene Stauchung, wird als negative Dehnung messtechnisch erfasst.The introduction of force via the outer surfaces into the measuring body and the associated compression is measured as negative strain.
Die Messung der Laufzeit der Ultraschallimpulse, d. h. die Ermittlung der Schallgeschwindigkeit ist mit einem oder mehreren Ultraschallsensoren möglich. Dabei kann ein Sensor als Sender und Empfänger arbeiten und eine oder mehrere Reflexionendes Ultraschalls an der Wandung der Messstrecke auswerten. Auch zwei oder mehrere Ultraschallsensoren, d. h. getrennte Sender und Empfänger, können vorteilhaft verwendet werden.The measurement of the transit time of the ultrasonic pulses, i. H. the determination of the speed of sound is possible with one or more ultrasonic sensors. A sensor can work as a transmitter and receiver and evaluate one or more reflections of the ultrasound on the wall of the measuring section. Two or more ultrasonic sensors, i. H. separate transmitters and receivers can be used to advantage.
Der akustoelastische Effekt kann sowohl durch die Messung der longitudinalen (Schub-) Welle als auch durch die Messung der transversalen (Scher-) Welle, oder durch Auswertung der Veränderung beider Wellen erfolgen.The acoustoelastic effect can be measured both by measuring the longitudinal (shear) wave and by measuring the transversal (shear) wave, or by evaluating the changes in both waves.
Es gilt die Reversibilität zwischen Ausdehnung und Stauchung.The reversibility between expansion and compression applies.
Das hookesche Gesetz gilt nur für den Elastischen Bereich.
Die Ultraschallleiter aus Metall erfüllen das hookesche Gesetz.The metal ultrasonic conductors comply with Hooke's law.
Die Spannung σ ergibt sich aus der temperaturkompensierten Laufzeit LT1, der Bezugslaufzeit LT0 und dem akustoelastischen Faktor des Messkörpermaterials Kσ zu
Dabei gilt für LT1 die Messtemperatur T1 des Messkörpers und für LT0 die Bezugstemperatur.
T0 = 0 °C und die Bezugsspannung σ = 0.The measuring temperature T1 of the measuring body applies to L T1 and the reference temperature to L T0 .
T 0 = 0 °C and the reference voltage σ = 0.
Wobei die temperaturkompensierte Laufzeit LT0 aus der gemessenen Laufzeit LT und dem Korrekturfaktor KT ermittelt wird nach
Der thermische Faktor KT ist für einen großen Temperaturbereich eine nichtlineare Funktion
Der thermische Faktor KT der Laufzeit bestimmt sich mit der linearen Regression für die ausgewählten Sensoren zu
Auf dem Sensorprüfstand wurde der akustoelastische Faktor Kσ, für die ausgewählte Metall-Legierung und Sensordicke, bestimmt zu
Die relative Änderung der Wellengeschwindigkeit durch die mechanische Spannung bzw. Stresseinwirkung ist sehr klein. Dabei ist die Geschwindigkeitsänderung der Longitudinalwelle eine lineare Funktion.The relative change in the wave speed due to the mechanical tension or stress is very small. The change in velocity of the longitudinal wave is a linear function.
Es besteht in dem untersuchten Bereich bis 350 MPa eine lineare Abhängigkeit.There is a linear dependency in the examined range up to 350 MPa.
Die Änderung der Schallgeschwindigkeit ist neben der Abhängigkeit von der einwirkenden mechanischen Spannung auch von der Temperatur abhängig.The change in the speed of sound depends not only on the mechanical stress that is applied, but also on the temperature.
In der Praxis stellt sich der Temperaturausgleich zwischen Sonde und umgebendem Bauwerk ausreichend schnell ein. Größere Temperaturschwankungen sind im stationärem Einbau in Tunnel oder Fundamente nicht zu erwarten. Bei Anwendungen an Brückenpfeilern oder Dämmen, wo mit einer wechselnden Umgebungstemperatur zu rechnen ist, sind Temperaturmessungen zur Kompensation denkbar und sind leicht im Messkörper implementierbar.In practice, the temperature equalization between the probe and the surrounding structure occurs sufficiently quickly. Larger temperature fluctuations are not to be expected in stationary installation in tunnels or foundations. For applications on bridge pillars or dams, where a changing ambient temperature is to be expected, temperature measurements for compensation are conceivable and can be easily implemented in the measuring body.
Durch das elastische Verhalten der Messstrecke zwischen den Ultraschallsensoren wird auch die Länge der Messstrecke verändert.Due to the elastic behavior of the measuring section between the ultrasonic sensors, the length of the measuring section is also changed.
Da bekannt ist, dass zum Beispiel die Änderung der Schallgeschwindigkeit durch die Einwirkung einer mechanischen Spannung (Stauchung der Messtrecke) dreimal so groß ist, wie der Einfluss der reinen Längenänderung (die durch diese Spannung oder Krafteinwirkung auf die Messtrecke entsteht) auf die Schallgeschwindigkeit, kann durch die Messung der Schallgeschwindigkeit, eine ausreichend genaue Ermittlung der Spannung der umgebenden Bauwerksteile erfolgen.Since it is known that, for example, the change in the speed of sound due to the effect of mechanical stress (compression of the measuring section) is three times as great as the influence of the pure change in length (which occurs as a result of this stress or the effect of force on the measuring section) on the speed of sound by measuring the speed of sound, a sufficiently accurate determination of the stress in the surrounding structural parts can be made.
Die oben dargelegten akustoelastischen Koeffizienten sind im Verhältnis zur absoluten Schallgeschwindigkeit sehr klein.The acoustoelastic coefficients presented above are very small in relation to the absolute speed of sound.
Die direkte messtechnische Auswertung durch eine übliche Laufzeitmessung (time of flight) nur mit Mikroprozessoren ist zu ungenau, da hier die Auflösung nicht ausreicht.The direct metrological evaluation by means of a conventional runtime measurement (time of flight) using only microprocessors is too imprecise, since the resolution here is not sufficient.
Eine direkte Impulsdauermessung über Mikroprozessoren scheidet aus, da die Zykluszeit (Rechentakt) um den Faktor 1000 bis 10000 größer ist als die geforderte nutzbare Auflösung. Messkörpervon wenigen Zentimetern Dicke ergeben bei nur einer Reflexion Laufzeiten des Ultraschallimpulses kleiner 10 µs.A direct pulse duration measurement via microprocessors is ruled out since the cycle time (computing cycle) is 1000 to 10000 times greater than the usable resolution required. Measuring bodies a few centimeters thick result in propagation times of the ultrasonic impulse of less than 10 µs with only one reflection.
Sollen Belastungen von nur einigen MPa gemessen werden, muss die Auflösung unter 0,1 ns liegen.If loads of only a few MPa are to be measured, the resolution must be below 0.1 ns.
Zur Erfassung von Lastumlagerungen (oder auch Spannungsumlagerungen) in der Größenordnung von 100 kPa und kleiner können moderne Messanordnungen wie die TDC (Time-to-Digital-Converter) mit Auflösungen kleiner 50 ps verwendet werden. Wird mit einer ausreichend hohen Messrate gemessen, die über 1000 oder sogar 10000 Messungen pro Sekunde liegt, ist eine Auflösung in Picosekunden möglich.Modern measuring arrangements such as the TDC (Time-to-Digital-Converter) with resolutions of less than 50 ps can be used to detect load shifts (or voltage shifts) in the range of 100 kPa and smaller. A resolution in picoseconds is possible if measurements are taken at a sufficiently high measuring rate, which is more than 1000 or even 10000 measurements per second.
Ein weiteres Merkmal des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Überwachung des Lebenszyklus von Betonelementen, vorzugsweise im Tunnelbau, ist die Messung der Durchfeuchtung der Betonbauteile.Another feature of the method according to the invention for monitoring the life cycle of concrete elements, preferably in tunnel construction, is the measurement of the moisture penetration of the concrete components.
Eine Möglichkeit der Erfassung des Wassersättigungsgrads von Beton stellt die Messung der relativen Luftfeuchtigkeit eines mit dem Beton im Gleichgewicht stehenden Hohlraums dar. Wandelt man die Messwerte der relativen Feuchte in standardisierte Werte der relativen Feuchte bei einer Temperatur um, so lässt sich daraus mit der spezifischen Adsorptionsisotherme für den verwendeten Beton der Wassersättigungsgrad von den zu überwachenden Betonelementen berechnen.One way of determining the degree of water saturation in concrete is to measure the relative humidity of a cavity in equilibrium with the concrete. Converting the relative humidity readings to standardized relative humidity values at one temperature can be obtained using the specific adsorption isotherm calculate the degree of water saturation of the concrete elements to be monitored for the concrete used.
Die Messung der relativen Luftfeuchte erfolgt in einer Messkammer, die im Betonelement fest eingegossen ist. Ein zur umgebenden Luft abdichtender Verschlussdeckel verhindert die Messwertverfälschung durch die Feuchte der umgebenden Luft oder durch Wasserzufluss von außen.The relative humidity is measured in a measuring chamber that is cast into the concrete element. A sealing cover that seals against the surrounding air prevents the measured value being falsified by the humidity in the surrounding air or by the inflow of water from outside.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche. Im Folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels beschrieben werden. Es zeigen:
-
1 schematische Darstellung einer Ausführungsvariante zur Überwachung des Lebenszyklus von Betonelementen vorzugsweise im Tunnelbau -
2 schematische Darstellung einer Ausführungsvariante zur Überwachung der Radial- und Tangentialspannung im Tunnelbau
-
1 schematic representation of an embodiment variant for monitoring the life cycle of concrete elements, preferably in tunnel construction -
2 Schematic representation of a design variant for monitoring the radial and tangential stress in tunnel construction
In
Die Umhüllung (13) hat mehrere Aufgaben zu erfüllen:
- - mechanischer und chemischer Schutz des Messkörper (10) mit dem piezoelektrischen Bauteil (11),
- - Übertragung der mechanischen Spannung vom Beton in den Messköper (10),
- - form- und kraftschlüssiger Verbund mit dem Beton.
- - mechanical and chemical protection of the measuring body (10) with the piezoelectric component (11),
- - Transmission of the mechanical stress from the concrete to the measuring body (10),
- - Positive and non-positive bond with the concrete.
Die Umhüllung (13) wird vorteilhaft aus einer Mischung von mineralischen Füllstoffen und Polyester- oder Epoxidharzen hergestellt.The casing (13) is advantageously made from a mixture of mineral fillers and polyester or epoxy resins.
Die mechanischen Eigenschaften der Polyester- und Epoxidharze werden dabei wesentlich verbessert. Damit werden Festigkeitszunahmen von 50% bis 75% erreicht. Das thermisch bedingte Schrumpfungsverhalten wird ebenfalls verringert. Wesentlich wird auch eine bessere Verzahnung des umhüllten Messkörpers (10) mit dem Beton erreicht.The mechanical properties of the polyester and epoxy resins are significantly improved. With this, increases in strength of 50% to 75% are achieved. The thermally induced shrinkage behavior is also reduced. A significantly better interlocking of the encased measuring body (10) with the concrete is also achieved.
Besonders Quarzsand ist als Füllmaterial geeignet. Die Umhüllung kann auch mit mehreren Schichten erfolgen. Zum Beispiel: 1. Schicht aus 1 mm bis 2 mm Körnung 0-0,3 mm; 2. Schicht: Körnung bis 2 mm.Quartz sand is particularly suitable as a filling material. The encapsulation can also take place with several layers. For example: 1st layer of 1mm to 2mm grit 0-0.3mm; 2nd layer: grain size up to 2 mm.
Die Umhüllung (13) soll chemisch neutral und inkompressibel sein.The cover (13) should be chemically neutral and incompressible.
Eine Kabelverbindung (14) verbindet das piezoelektrische Bauteil (11) mit einer Ultraschalleinheit (15), welche aus einem Bauteil zum Erzeugen eines Spannungsimpulses (16) und eines Verstärkers (17) besteht, und
in einem Bauteil (20) die Laufzeit ermittelt.A cable connection (14) connects the piezoelectric component (11) to an ultrasonic unit (15) which consists of a component for generating a voltage pulse (16) and an amplifier (17), and
determines the running time in a component (20).
In der gezeigten Ausführungsvariante mit zwei Messkörpern (10) ist dem Verstärker (17) ein Analogschalter (25) vorgeschaltet. In einer hier nicht dargestellten Ausführungsvariante ist auch ein mehrkanaliger Analogschalter (3 oder mehr Kanäle) einsetzbar. Es gibt Bauteile zur Laufzeitermittelung (20), die über zwei unabhängige Messkanäle verfügen. Bei Verwendung dieser Bauteile kann der Analogschalter (25) entfallen, wenn nur zwei Messköper (10) verwendet werden. Besonders geeignet sind die TDC (Time-to-Digital-Converter) mit Auflösungen im Bereich von Picosekunden. Wird mit einer ausreichend hohen Messrate gemessen, die über 1000 oder sogar 10000 Messungen pro Sekunde beträgt, ist eine stabile Auflösung in Picosekunden möglich. Die Schwankungen des Messwertes werden dann im Wesentlichen durch die Temperaturmessung (12) bestimmt. Die Korrektur der Laufzeit erfolgt über eine lineare Abhängigkeit der Schallgeschwindigkeit von der Temperatur.In the embodiment shown with two measuring bodies (10), the amplifier (17) is preceded by an analog switch (25). In an embodiment variant not shown here, a multi-channel analog switch (3 or more channels) can also be used. There are components for determining the transit time (20) that have two independent measurement channels. When using these components, the analog switch (25) can be omitted if only two measuring heads (10) are used. The TDC (time-to-digital converter) with resolutions in the picosecond range are particularly suitable. If measured with a sufficiently high measurement rate, which is over 1000 or even 10000 measurements per second, a stable resolution in picoseconds is possible. The fluctuations in the measured value are then essentially determined by the temperature measurement (12). The transit time is corrected via a linear dependency of the speed of sound on the temperature.
Die Temperaturmesseinrichtung (12) ist mit einer Recheneinheit (18) verbunden, wobei die aus der zuvor ermittelten Laufzeit der Ultraschallwelle und der zeitnah ermittelten Temperatur, diese Laufzeit in eine zum späteren Vergleichen der zu unterschiedlichen Zeiten ermittelten Laufzeiten der Ultraschallwellen, von einem oder mehrereren Messeinrichtungen, in geeignete temperaturnormierte Laufzeiten und diese wiederum in mechanische Spannung umrechnet.The temperature measuring device (12) is connected to a computing unit (18), with the previously determined transit time of the ultrasonic wave and the timely determined temperature converting this transit time into a later comparison of the transit times of the ultrasonic waves determined at different times by one or more measuring devices , into suitable temperature-normalized running times and these in turn are converted into mechanical stress.
Die Kabelverbindung (14) wird entlang der Bewehrung im Betonelement (Tübbing) mittels Kabelbinder verlegt.The cable connection (14) is laid along the reinforcement in the concrete element (tubbing) using cable ties.
Ein Bauteil (19) ist Bestandteil eines digitalen 1-wire Sensor mit einer 64-bit-ROM-ID, welches die Messeinrichtung eindeutig kennzeichnet und dadurch eine Identifikation unverwechselbar gestattet. Die Messung der mechanischen Spannung (26) ist in Richtung der Ultraschallwelle (21).A component (19) is part of a digital 1-wire sensor with a 64-bit ROM ID, which uniquely identifies the measuring device and thus permits unmistakable identification. The measurement of the mechanical stress (26) is in the direction of the ultrasonic wave (21).
Ein Bauteil zur drahtlosen Stromversorgung (24) beinhaltet eine hier nicht dargestellte Empfangsspule für die resonante Induktion. Bei der Inspektion der Tübbings kann mit einer an einem Ausleger des Inspektionsfahrzeuges befestigten Sendespule Energie zur erfindungsgemäßen Vorrichtung übertragen werden. Über die Einrichtung zur Datenübertragung (22) werden die Messergebnisse bereitgestellt. Die Auswertung der Messergebnisse kann auf unterschiedliche Weise erfolgen.A component for the wireless power supply (24) includes a receiving coil for the resonant induction, not shown here. When inspecting the tubbings, energy can be transmitted to the device according to the invention with a transmission coil attached to a boom of the inspection vehicle. The measurement results are made available via the data transmission device (22). The measurement results can be evaluated in different ways.
Im einfachsten Fall kann der Datenstream sofort vor Ort automatisiert ausgewertet werden. Da jeder Messstelle eine eindeutige ID zugeordnet ist, werden Veränderungen sofort erkannt und das Bauteil kann bei Bedarf sofort inspiziert und markiert werden.In the simplest case, the data stream can be automatically evaluated immediately on site. Since each measuring point is assigned a unique ID, changes are recognized immediately and the component can be inspected and marked immediately if necessary.
Die Bauteile (15) bis (18), (20) und (22) bis (25) sind vorteilhafterweise in einer wasserdicht vergossenen Elektronikeinheit (27) zusammengefasst. Diese wasserdichte Elektronikeinheit (27) füllt die im Tübbing fest einbetonierte Dose zur Aufnahme der Elektronikeinheit (29) teilweise aus. In dem verbliebenen Hohlraum zur Feuchtemessung (28) ist das Bauteil zur relativen Feuchtemessung außen an der wasserdichten Elektronikeinheit (27) angeordnet.The components (15) to (18), (20) and (22) to (25) are advantageously combined in a watertight cast electronic unit (27). This watertight electronics unit (27) partially fills out the box for receiving the electronics unit (29), which is firmly embedded in concrete in the tubbing. The component for relative humidity measurement is arranged on the outside of the watertight electronic unit (27) in the remaining cavity for humidity measurement (28).
In der Wand zum Beton des Tübbing befindet sich ein Bauteil zur Wasserdampfdifussion (30). Dieses Bauteil kann als semipermeable Membran ausgebildet sein. Beim Betonieren des Tübbings wird so das Volllaufen des Hohlraumes zur Feuchtemessung (28) verhindert . Im einfachsten Fall wird das Eindringen von Flüssigkeit während der Herstellung des Tübbing durch eine Abdeckung verhindert. Diese Abdeckung muss nach Härten des Betons entfernt werden.A component for water vapor diffusion (30) is located in the wall to the concrete of the tubbing. This component can be designed as a semipermeable membrane. This prevents the cavity for moisture measurement (28) from filling up when the tubbing is cast in concrete. In the simplest case, the penetration of liquid during the production of the tubbing is prevented by a cover. This cover must be removed after the concrete has hardened.
In
Ein Deckel (38) verschließt die Dose (29) so dicht, das sich im Hohlraum zur Feuchtemessung (28) das Sättigungsgleichgewicht zwischen relativer Luftfeuchte und Materialfeuchte des Betons einstellen kann, ohne das die relative Luftfeuchte des Tunnelinnenraumes (37) die Messung verfälscht. Die Dose (29) wird vorteilhaft so in den Tübbing (36) eingebaut, das das Bauteil zur Wasserdampfdifussion (30) nach unten zeigt. Der Messaufnehmer (32) für die Radialspannung nahe an der Außenwand des Tübbings (36) zum Gebirge (38) plaziert. Die Messaufnehmer (34) für die Tangentialspannung (33) können je nach Anforderung angeordnet werden.A cover (38) closes the box (29) so tightly that the saturation equilibrium between the relative humidity and material moisture of the concrete can be established in the cavity for measuring moisture (28) without the relative humidity of the tunnel interior (37) falsifying the measurement. The box (29) is advantageously installed in the tubbing (36) in such a way that the component for the diffusion of water vapor (30) points downwards. The sensor (32) for the radial stress placed close to the outer wall of the tubbing (36) to the rock (38). The sensors (34) for the tangential stress (33) can be arranged as required.
Nicht dargestellt ist die Anordnung von Messaufnehmer für die Axialspannung. Die Messung der Axialspannung kann für Absenktunnel von Bedeutung sein, wenn mit Bodenbewegungen zu rechnen ist.The arrangement of measuring sensors for the axial stress is not shown. Measuring axial stress can be important for immersed tunnels where ground movement is expected.
Die Überwachung des,Lebenszyklus von Betonelementen kann sinngemäß auch mit stationärer Stromversorgung und Datenübertragung mit Kabel erfolgen.The monitoring of the life cycle of concrete elements can also be carried out with a stationary power supply and data transmission with cables.
Die Verwendung der Messaufnehmer und die Dose (29) kann auch in Bauwerken und Tunnel mit monolithischer Bauweise erfolgen.The sensors and the box (29) can also be used in buildings and tunnels with a monolithic construction.
BezugszeichenlisteReference List
- 1010
- Messkörpermeasuring body
- 1111
- Piezoelektrisches BauteilPiezoelectric component
- 1212
- Temperaturmesseinrichtungtemperature measuring device
- 1313
- Umhüllungwrapping
- 1414
- Kabelverbindungcable connection
- 1515
- Ultraschalleinheitultrasonic unit
- 1616
- Bauteil zur Erzeugung eines SpannungsimpulsesComponent for generating a voltage pulse
- 1717
- Verstärkeramplifier
- 1818
- Recheneinheitunit of account
- 1919
- Bauteil zur Identifikationcomponent for identification
- 2020
- Bauteil zur LaufzeitermittelungComponent for determining the runtime
- 2121
- Ultraschallwelleultrasonic wave
- 2222
- Einrichtung zur DatenübermittelungDevice for data transmission
- 2323
- Bauteil zur relativen FeuchtemessungComponent for relative humidity measurement
- 2424
- Bauteil zur drahtlosen StromversorgungWireless power supply component
- 2525
- Analogschalteranalog switch
- 2626
- Mechanische Spannungmechanical tension
- 2727
- Wasserdichte ElektronikeinheitWaterproof electronic unit
- 2828
- Hohlraum zur FeuchtemessungCavity for moisture measurement
- 2929
- Dose zur Aufnahme der ElektronikeinheitBox for accommodating the electronics unit
- 3030
- Bauteil zur WasserdampfdifussionComponent for water vapor diffusion
- 3131
- Radialspannungradial tension
- 3232
- Messaufnehmer für RadialspannungRadial tension transducer
- 3333
- Tangentialspannungtangential stress
- 3434
- Messaufnehmer für TangentialspannungSensor for tangential stress
- 3535
- Gebirgemountains
- 3636
- Tunnelwand bzw. TübbingTunnel wall or tubbing
- 3737
- Tunnelinnenraumtunnel interior
- 3838
- DeckelLid
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited
- WO 2010015248 A2 [0012]WO 2010015248 A2 [0012]
- DE 19830196 [0014]DE 19830196 [0014]
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ID=85477185
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Citations (2)
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DE19830196A1 (en) | 1998-07-06 | 2000-01-20 | Roland Braun | Method for determining spatial anisotropy and stress of rock sample |
WO2010015248A2 (en) | 2008-08-08 | 2010-02-11 | Jaeger Frank-Michael | Method and device for monitoring and determining the ground stress |
-
2021
- 2021-09-24 DE DE102021004840.7A patent/DE102021004840A1/en active Pending
Patent Citations (2)
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