DE102021004852A1 - Process and device for monitoring and determining the mechanical stress in concrete structures and structural parts - Google Patents

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Abstract

1. Vorrichtung zur Überwachung und Bestimmung der mechanischen Spannung in Bauwerken und Bauwerksteilen aus Beton.2.1 Das Messverfahren hat die Aufgabe mechanische Spannungen und Spannungsumlagerungen in Bauwerken und Bauteilen aus Beton in-situ und online zu überwachen und zu bestimmen.2.2. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass ein oder mehrere Ultraschallsensoren aus einer PVDF-Folie auf einem Messkörper befestigt sind und im Beton die Laufzeit der Ultraschallsignale innerhalb des Messkörpers mit einem TDC-Schaltkreis hochauflösend bestimmen.Erfindungsgemäß werden die Laufzeit und die Temperatur im Messkörper in-situ gemessen und mit Anfangswerten verglichen. Die Änderung der gemessenen Laufzeiten sind proportional zu den einwirkenden mechanischen Spannungen.1. Device for monitoring and determining the mechanical stress in structures and structural components made of concrete.2.1 The measuring method has the task of monitoring and determining mechanical stresses and stress redistribution in structures and structural components made of concrete in-situ and online.2.2. The object is achieved in that one or more ultrasonic sensors made of a PVDF film are attached to a measuring body and determine the transit time of the ultrasonic signals within the measuring body with a TDC circuit with high resolution in the concrete. According to the invention, the transit time and the temperature in the measuring body are measured in situ and compared with initial values. The change in the measured running times are proportional to the mechanical stresses that act.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung und Bestimmung der mechanischen Spannung in Bauwerken und Bauwerksteilen, wie zum Beispiel Fundamente, Pfeiler, Tunnel, Lawinengalerien, Hallen, Staudämme oder Auflager von Brücken.The invention relates to a method and a device for monitoring and determining the mechanical stress in buildings and parts of buildings, such as foundations, pillars, tunnels, avalanche galleries, halls, dams or bridge supports.

Die Überwachung von Spannungsänderungen bestehender Bauwerke kann die Einflüsse durch Alterung, Temperatur, Belastungsänderungen der Tragwerke oder Veränderung im Baugrund erfassen.The monitoring of stress changes in existing structures can record the influences of aging, temperature, changes in load on the supporting structures or changes in the subsoil.

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.

Andere moderne elektronische Verfahren messen zum Beispiel mit Ultraschall.Other modern electronic methods measure with ultrasound, for example.

So hat jeder Festkörper eine spezifische Schallgeschwindigkeit, die abhängig ist von der Dichte und Elastizität des Festkörpers. Mit dem bekannten Sonic-Log wird die Laufzeit des von einem Sender am unteren Ende einer Sonde erzeugten Schallimpulses durch das das senkrechte Bohrloch umgebende Gestein zu einem oder mehreren Empfängern am oberen Ende der Sonde gemessen. Auch Festkörper aus Beton können mit Ultraschall durchschallt werden.Every solid has a specific speed of sound that depends on the density and elasticity of the solid. With the well-known sonic log, the propagation time of the sound pulse generated by a transmitter at the lower end of a probe through the rock surrounding the vertical borehole to one or more receivers at the upper end of the probe is measured. Solid bodies made of concrete can also be scanned with ultrasound.

Zur Ankopplung der Ultraschallsender und Ultraschallempfänger wird dabei ein Koppelmedium verwendet.A coupling medium is used to couple the ultrasonic transmitter and ultrasonic receiver.

Die WO 2010/015248A2 beschreibt ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Gebirgsspannungsermittlung mit der Spannungsumlagerungen in-situ ständig erfasst werden können. In der Patentschrift wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass ein oder mehrere Ultraschallsensoren aus einer PVDF-Folie auf einem Messkörper befestigt sind und in einer Bohrlochsonde die Laufzeit der Ultraschallsignale innerhalb des Messkörpers mit einem TDC-Schaltkreis hochauflösend bestimmt wird. Erfindungsgemäß werden die Laufzeit und die Temperatur im Messkörper in-situ gemessen und mit Anfangswerten verglichen. Aus der Änderung der gemessenen Laufzeiten, die proportional zu den einwirkenden mechanischen Spannungen ist, werden die Gebirgsspannungen und deren Veränderungen online ermittelt.The WO 2010/015248A2 describes a method and a device for determining rock stresses with which stress redistributions can be continuously recorded in-situ. In the patent, the object is achieved in that one or more ultrasonic sensors made of a PVDF film are attached to a measuring body and the propagation time of the ultrasonic signals within the measuring body is determined with high resolution in a borehole probe using a TDC circuit. According to the invention, the transit time and the temperature in the measuring body are measured in situ and compared with initial values. The rock stresses and their changes are determined online from the change in the measured transit times, which is proportional to the mechanical stresses acting on them.

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 DE 198 30 196 wird ein Verfahren zur Bestimmung der räumlichen Gesteins- und Gebirgsanisotropie sowie des Gebirgsspannungszustandes an Probenkörpern beschrieben. Die darin beschriebene Methode zur Ermittlung des Gebirgsspannungszustandes erfordert Probenkörperder Gesteine mit gegenüberliegenden Endflächenzur Anbringung der Ultraschallwandler.In the patent DE 198 30 196 a method for determining the spatial rock and rock anisotropy and the rock stress state on test specimens is described. The method described therein for determining the rock stress state requires rock specimens with opposite end surfaces for attaching the ultrasonic transducers.

Die vorgenannte Methode ist zur in-situ Messung von Spannungszuständen und Spannungsumlagerungen in oder an Bauwerken nicht geeignet.
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.
The above method is not suitable for the in-situ measurement of stress states and stress redistribution in or on structures.
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 wechseln- den 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 die Messung der Spannung innerhalb der Baukörper und Bauwerke ermöglicht und durch den Vergleich und Analyse der gemessenen Werte mit älteren Werten mögliche Schä- digungen früh erkennt.The object of the invention is to provide a suitable structure monitoring device that independent of the anisotropies of the structure, enables the measurement of the stress within the structure and structures over a long period of time and, by comparing and analyzing the measured values with older values, detects possible damage at an early stage.

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.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung der mechanischen Spannung zum Zweck der Früherkennung von Bauwerksschäden durch die Langzeitbeobachtung und des Vergleiches von Spannungsmessungen innerhalb der Bauwerke mittels Ultraschall, beruht 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.The method according to the invention for measuring the mechanical stress for the purpose of early detection of structural damage through long-term observation and comparison of stress measurements within the structures using ultrasound is 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.
Bei Kunststoffen besteht das Problem darin, dass viele Hochpolymere neben dem elastischen Verhalten auch ein plastisches Verhalten zeigen. Bedingung für den Einsatz von Kunststoffen ist ein genügend großes E-Modul und ein elastisches Verhalten. Kriechfähige Kunststoffe sind für die Messung der Schallgeschwindigkeit ungeeignet.
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).
The problem with 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 metrologically recorded 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 sowohldurch 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. σ   ( Spannung ) = E ( E Modul ) × ε ( Dehnung )

Figure DE102021004852A1_0001
Hooke's law only applies to the elastic domain. σ ( Tension ) = E ( E module ) × e ( strain )
Figure DE102021004852A1_0001

Die Ultraschallleiter aus Metall erfüllen das hookesche Gesetz.
Die Spannung σ ergibt sich aus der temperaturkompensierten Laufzeit LT1, der Bezugslaufzeit LT0 und dem akustoelastischen Faktor des Messkörpermaterials Kσ zu σ   =   ( L T1 L T0 ) / K σ

Figure DE102021004852A1_0002
Dabei gilt für LT1 die Messtemperatur T1 des Messkörpers und für LT0 die Bezugstemperatur.
T0 = 0 °C und die Bezugsspannung σ = 0.The metal ultrasonic conductors comply with Hooke's law.
The stress σ results from the temperature-compensated transit time L T1 , the reference transit time L T0 and the acoustoelastic factor of the measuring body material K σ σ = ( L T1 L T0 ) / K σ
Figure DE102021004852A1_0002
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 L T 0 = L T * K T

Figure DE102021004852A1_0003
Der thermische Faktor KT ist für einen großen Temperaturbereich eine nichtlineare Funktion K T = f ( T )
Figure DE102021004852A1_0004
The temperature-compensated transit time L T0 is determined from the measured transit time L T and the correction factor K T according to L T 0 = L T * K T
Figure DE102021004852A1_0003
The thermal factor K T is a non-linear function over a wide temperature range K T = f ( T )
Figure DE102021004852A1_0004

Der thermische Faktor KT der Laufzeit bestimmt sich nach (5) mit der linearen Regression für die ausgewählten Sensoren zu K T = 0,94684  ns ° C 1

Figure DE102021004852A1_0005
Auf dem Sensorprüfstand wurde der akustoelastische Faktor Kσ, für die ausgewählte Metall-Legierung und Sensordicke, bestimmt zu K σ = 4,4585  Mpa ns 1
Figure DE102021004852A1_0006
bzw. K σ = 4,4585  Nmm 2  ns 1
Figure DE102021004852A1_0007
The thermal factor K T of the transit time is determined according to (5) with the linear regression for the selected sensors K T = 0.94684 ns ° C 1
Figure DE102021004852A1_0005
The acoustoelastic factor K σ for the selected metal alloy and sensor thickness was determined on the sensor test bench K σ = 4.4585 Mpa ns 1
Figure DE102021004852A1_0006
or. K σ = 4.4585 hmmm 2 ns 1
Figure DE102021004852A1_0007

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-Digi- tal-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 systems such as the TDC (time-to-digital converter) with resolutions of less than 50 ps can be used to record load shifts (or voltage shifts) of the order 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.

Ausführungsbeispieleexemplary embodiments

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 eine schematische Darstellung einer Ausführungsvariante zur permanenten Messung der mechanischen Spannung in Beton
Further advantageous configurations of the invention emerge from the features of the dependent claims. The invention is to be described below using an exemplary embodiment. Show it:
  • 1 a schematic representation of a variant for the permanent measurement of the mechanical stress in concrete

In 1 ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsvariante zur Messung der mechanischen Spannung in Bauwerken aus Beton dargestellt. Der Messkörper (10) mit dem piezoelektrischen Bauteil (11), der Temperaturmesseinrichtung (12) und dem Bauteil (19), vorzugsweise ein digitaler 1-wire Sensor mit einer 64-bit-ROM-ID. Vorteilhaft ist die Verwendung eines 1-wire Temperatursensors, der die Temperatur mit einer Auflösung von 12 bit erfasst und eine eindeutige ID-Nummer zur Kennung der Vorrichtung bereitstellt.In 1 is a schematic representation of an embodiment variant for measuring the mechanical stress in structures made of concrete. The measuring body (10) with the piezoelectric component (11), the temperature measuring device (12) and the component (19), preferably a digital 1-wire sensor with a 64-bit ROM ID. It is advantageous to use a 1-wire temperature sensor, which records the temperature with a resolution of 12 bits and provides a unique ID number to identify the device.

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.
The casing (13) has to fulfill several tasks:
  • - 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. 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.The cover (13) should be chemically neutral and incompressible. 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 in a component (20) determines the transit time.

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 liegt, 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.The TDC (time-to-digital converter) with resolutions in the picosecond range are particularly suitable. If measured with a sufficiently high measuring 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.

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.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.

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
Mechanische Spannungmechanical tension

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • WO 2010015248 A2 [0010]WO 2010015248 A2 [0010]
  • DE 19830196 [0012]DE 19830196 [0012]

Claims (4)

Verfahren zur Überwachung und Bestimmung der mechanischen Spannung in Bauwerken und Bauwerksteilen aus Beton, welches umfasst: a) wenigstens ein Bauteil, bestehend aus einen homogenen, isotropen und elastischen Messkörper (10), der der in allen Richtungen kraft- und formschlüssig im Beton eingebettet wird, und b) das wenigstens ein piezoelektrisches Bauteil (11), eine Ultraschallwelle (21) in einen homogenen, isotropen und elastischen Messkörper in Richtung der zu messenden mechanischen Spannung aussendet und empfängt, und c) eine Temperaturmesseinrichtung (12), welche die Temperatur des homogenen, isotropen und elastischen Messkörpers zeitnah zur Aussendung und Empfang der Ultraschallwelle ermittelt, und d) das wenigstens ein Bauteil (13) den Messkörper mit dem piezoelektrischen Bauteil und die Temperaturmesseinrichtung zum mechanischen und chemischen Schutz umhüllt, wobei dieses umhüllende Bauteil (13) gegenüber den Bauteilen (10), (11) und (12) und dem Beton chemisch neutral und inkompressibel ist, und e) das über eine Kabelverbindung (14), das piezoelektrische Bauteil (11) mit einer Ultraschalleinheit (15), bestehend aus einem Bauteil zum Erzeugen eines Spannungsimpulses (16) und eines Verstärkers (17) verbunden wird, und In einem Bauteil (20) die Laufzeit ermittelt, f) die Temperaturmesseinrichtung (12) mit einer Recheneinheit (18) verbunden wird, wobei die Recheneinheit (18) aus der zuvor ermittelten Laufzeit der Ultraschallwelle zeitnah die herrschende Temperatur, diese Laufzeit in eine zum spläteren Vergleichen der zu unterschiedlichen Zeiten ermittelten Laufzeiten der Ultraschallwellen, eines oder mehrerer Messkörper, in geeignete temperaturnormierte Laufzeiten und diese wiederum in mechanische Spannung umrechnet, und g) ein Bauteil (19), welches die Messeinrichtung eindeutig kennzeichnet und dadurch eine Identifikation unverwechselbar gestattet, und h) die Übermittlung der Daten mit einer Einrichtung (22) an einem zur Auswertung geeigneten Ort, wobei die Datenübermittlung drahtlos oder drahtgebunden erfolgt.Method for monitoring and determining the mechanical stress in structures and parts of structures made of concrete, which includes: a) at least one component consisting of a homogeneous, isotropic and elastic measuring body (10) which is embedded in the concrete in a non-positive and positive manner in all directions, and b) the at least one piezoelectric component (11) emits and receives an ultrasonic wave (21) in a homogeneous, isotropic and elastic measuring body in the direction of the mechanical stress to be measured, and c) a temperature measuring device (12) which determines the temperature of the homogeneous, isotropic and elastic measuring body in real time for the transmission and reception of the ultrasonic wave, and d) the at least one component (13) encapsulates the measuring body with the piezoelectric component and the temperature measuring device for mechanical and chemical protection, this enclosing component (13) being chemically resistant to the components (10), (11) and (12) and the concrete is neutral and incompressible, and e) which is connected via a cable connection (14), the piezoelectric component (11) to an ultrasonic unit (15), consisting of a component for generating a voltage pulse (16) and an amplifier (17), and in a component (20) determines the runtime f) the temperature measuring device (12) is connected to a computing unit (18), the computing unit (18) realtime the prevailing temperature from the previously determined transit time of the ultrasonic wave, this transit time into a for later comparison of the transit times of the ultrasonic waves determined at different times, one or more measuring bodies, into suitable temperature-normalized running times and these in turn converted into mechanical stress, and g) a component (19) which uniquely identifies the measuring device and thereby permits unmistakable identification, and h) the transmission of the data with a device (22) at a location suitable for evaluation, with the data being transmitted wirelessly or by wire. Vorrichtung zur Überwachung und Bestimmung der mechanischen Spannung in Bauwerken und Bauwerksteilen aus Beton, welche umfasst: - wenigstens ein Bauteil, bestehend aus einen homogenen, isotropen und elastischen Messkörper (10) vorzugsweise aus Metall, der der in allen Richtungen kraft- und formschlüssig im Beton eingebettet ist, und -wenigstens ein piezoelektrisches Bauteil (11) vorzugsweise eine PVDF Folie, welches eine longitudinale Ultraschallwelle (21) in einen homogenen, isotropen und elastischen Messkörper (10) in Richtung der zu messenden mechanischen Spannung aussendet und empfängt, und - eine Temperaturmesseinrichtung (12) mit wenigstens 12 bit Auflösung, und -wenigstens ein, den Messkörper mit dem piezoelektrischen Bauteil und die Temperaturmesseinrichtung umhüllendes Bauteil (13), vorzugsweise aus einem Gemisch aus Epoxidharz mit oder ohne mineralischen Füllmaterial oder aus einem Gemisch von Polyesterharz mit oder ohne einem mineralischem Füllmaterial, welches zum mechanischen und chemischen Schutz dient, wobei dieses gegenüber den umhüllten Bauteilen (10), (11) und (12) und dem Beton chemisch neutral und inkompressibel ist, und - eine Kabelverbindung (14), welche das piezoelektrische Bauteil (11) mit einer Ultraschalleinheit (15), bestehend aus einem Bauteil zum Erzeugen eines Spannungsimpulses (16) und eines Verstärkers (17), die jeweils mit einem Bauteil zur Laufzeitermittlung (20), vorzugsweise ein TDC Schaltkreis, verbunden sind und die Temperaturmesseinrichtung (12) mit einer Recheneinheit (18) verbindet, und - ein Bauteil (19), vorzugsweise ein digitaler 1-wire Sensor mit einer 64-bit-ROM-ID, welches die Messeinrichtung eindeutig kennzeichnet und dadurch eine Identifikation unverwechselbar gestattet, und - eine Einrichtung (22) zur Übermittlung der Daten an einem zur Auswertung geeigneten Ort, wobei die Datenübermittlung drahtlos oder drahtgebunden erfolgen kann.Device for monitoring and determining the mechanical stress in structures and parts of structures made of concrete, which includes: - at least one component consisting of a homogeneous, isotropic and elastic measuring body (10), preferably made of metal, which is embedded in the concrete in a non-positive and positive manner in all directions, and - at least one piezoelectric component (11), preferably a PVDF film, which emits and receives a longitudinal ultrasonic wave (21) in a homogeneous, isotropic and elastic measuring body (10) in the direction of the mechanical stress to be measured, and - a temperature measuring device (12) with at least 12 bit resolution, and - at least one component (13) encasing the measuring body with the piezoelectric component and the temperature measuring device, preferably made of a mixture of epoxy resin with or without mineral filling material or of a mixture of polyester resin with or without mineral filling material, which serves for mechanical and chemical protection , whereby this is chemically neutral and incompressible in relation to the encased components (10), (11) and (12) and the concrete, and - a cable connection (14) which connects the piezoelectric component (11) to an ultrasonic unit (15), consisting of a component for generating a voltage pulse (16) and an amplifier (17), each with a component for determining the transit time (20), preferably a TDC circuit, and connects the temperature measuring device (12) to a computing unit (18), and - a component (19), preferably a digital 1-wire sensor with a 64-bit ROM ID, which uniquely identifies the measuring device and thereby permits unmistakable identification, and - a device (22) for transmitting the data to a location suitable for evaluation, the data transmission being able to take place wirelessly or by wire. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (22) zur Datenübermittlung Teil eines RFID-Systems ist.Device according to one of Claims 1 and 2 characterized in that the device (22) for data transmission is part of an RFID system. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung drahtlos, zum Beispiel über elektromagnetische Wellen, mit Energie versorgt wird.Device according to one of Claims 1 until 3 characterized in that the device is supplied with energy wirelessly, for example via electromagnetic waves.
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Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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

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