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Vorrichtung zum Messen von mechanischen Spannungen in Bauwerken, beispielsweise
in Baukonstruktionen aus Beton, in Erdbodenschichten od. dgl.
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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen von mechanischen
Spannungen in Bauwerken, beispielsweise in Baukonstruktionen aus Beton, in Erdbodenschichten
od. dgl.
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Seit langem besteht ein großer Bedarf an Meßvorrichtungen zur Ermittlung
von Spannungen, die sowohl in Prüfkörpern für Laboratoriumsuntersuchungen als auch
in fertigen Konstruktionen und Bauwerken, beispielsweise in Brücken, Dämmen, Grundkonstruktionen,
in Erdbodenschichten und auch in den verschiedenen Teilen eines Gebäudes, wie in
Wänden, Säulen und Gebälk, vorkommen. Insbesondere in neuerer Zeit, in der Beton
eines der wichtigsten Baumaterialien darstellt, ist der Bedarf an in die Konstruktion
eingießbaren Spannungsmeßvorrichtungen groß. Die Betonkonstruktionen können nur
annäherungsweise berechnet werden, was einerseits darauf beruht, daß das Betonmatenal
in sich selbst nicht isotrop ist, andererseits darauf, daß das Material sich mit
der Zeit ändert und andere Eigenschaften erhält als die ursprünglichen, die der
Berechnung der Konstruktion zugrunde gelegen haben. Der Beton schrumpft und quillt
und erleidet erhebliche plastische Verformungen, und zwar in einer Weise, die nicht
mit Bestimmtheit vorausgesehen werden kann und die mit den Feuchtigkeitsverhältnissen
und der Temperatur der umgebenden Luft, aber auch mit der Qualität des gegossenen
Betons eng zusammenhängt; es ist beispielsweise von Bedeutung, ob der Beton mit
zuviel Wasser gegos, sen worden ist, ob er zu schnell ausgetrocknet ist.
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Eine armierte Beton-Gebälkplatte, die auf mehreren Stützen kontinuierlich
aufgelegt ist, wird mit angenommenen Größen für die negativen Stützmomente und positiven
Feldmomente berechnet. Mit Sicherheit ändern sich diese wesentlich bei der Austrocknung
der Platte; jedoch ist das Ausmaß der Anderungen unbekannt. Die einzige Möglichkeit
zur Bestimmung der Momentenänderungen scheint zu sein, daß man von vornherein spannungsreglstrierende
Meßelemente in die verschiedenen Teile der Betonplatte eingießt und durch diese
den Verlauf der Beanspruchungen beobachtet.
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Von Bedeutung ist auch die Verteilung von Schrumpfspannungen in Betonwänden,
sowohl in Außen- als auch Innenwänden. In einer armierten Betonsäule tritt durch
Schrumpfen und plastische Verformung des Betonmaterlais eineallmählicheErhöhung
der Belastung in der längsvedaufenden Armierung ein. Die Momentenverteilung in einem
Brückenbogen erleidet sicherlich wesentliche änderungen durch Schrumpfen und plastische
Verformung des Betons.
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In massiven Konstruktionen, wie Dämmen, ändern sich die berechneten
inneren Spannungsverteilungen durch Spannungen auf Grund von Temperatursenkungen,
die auf der Wärmeentwicklung des Zementes beim Abbinden beruhen.
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Spannungsmeßvorrichtungen, welche in eine Ausnehmung des Prüfobjektes
eingebaut werden, sind an sich bekannt. Die Anwendung dieser bekannten Meßvorrichtungen
in der vorerwähnten Weise stößt jedoch auf Schwierigkeiten, die darauf beruhen,
daß die Meßvorrichtungen sich nur unter Inkaufnahme falscher Meßergebnisse in einem
steifen Material wie Beton verwenden lassen, bei dem außer elastischen Verformungen
auch erhebliche Materialbewegungen durch Schrumpfen, Quellen und plastische Verformung
vorkommen. Es kann die letztgenannte Gruppe eine erheblich größere Verformung ergeben
als eine Belastung, auch wenn die Belastung so hoch ist, daß das Material bis zur
Bruchgrenze beansprucht wird.
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Die Nachteile, die bei der Spannungsmessung mit den bisher bekannten
Meßvorrichtungen zutage treten, sind nachstehend an Hand der Fig. 1 und 2 der Zeichnungen
beschrieben.
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Fig. 1 zeigt einen mit einem eingegossenen Spannungsmeßelement B
versehenen Betonkörper A, dessen Endflächen mit Pkglom2 belastet worden sind, und
Fig. 2 stellt eine Betonsäule im Querschnitt dar.
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Es sei angenommen, daß die eingegossene MeßvorrichtungB dabei P kglcm2
richtig registriert. Wenn der Beton A schrumpft oder plastisch verformt wird, während
er die Last trägt - wie es Beton tut -, bedeutet dies, daß die Betonschicht zwischen
den
Linien a-a und b-b an Höhe abnimmt. Infolgedessen hängt sich
der Beton in den Punkten a' und b' an den Ecken oder Kanten der Meßzelle an, d.
h., die Meßzelle wird zusätzlich von den dabei entstehenden Druckkräften p beeinflußt.
Diese Zusatzspannung ist also keine reelle Spannung in der Konstruktion.
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Beim Quellen wirken statt dessen die Zusatzspannungen p als Zugkräfte
auf die Zelle.
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Die Meßzelle registriert dabei teils die gleichmäßig verteilte Last
P kg/cm2 infolge der äußeren Belastung auf den Betonkörper, teils die Summe der
Zusatzkräfte p rings um die Zelle. Da die letztgenannten erheblich groß werden können
und mitunter die Belastung P ganz überschatten, wird die Messung falsch. An den
Stellen, an denen eine Druckspannung vorhanden ist, beispielsweise in der Oberkante
einer frei aufgelegten Betonplatte, werden eingegossene Spannungsmesser eine zu
hohe Beanspruchung oben und auf entsprechende Weise eine falsche Größe der Spannung
in der Unterkante der Platte registrieren, zumal im letzten Falle die Zugspannung
durch Kräfte kompensiert wird, die das Materialschrumpfen um die Meßvorrichtung
auf diese ausübt. Es ist also ganz ausgeschlossen, beispielsweise in einem kontinuierlichen
Betongebälk eine mit der Zeit fortlaufende Momentenumlagerung der positiven und
negativen Momente zu beobachten und zu verfolgen.
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Weiter soll ein spezielles Beispiel angegeben werden, das drastisch
zeigt, zu welch falschen Resultaten eine Spannungsmessung mit den bekannten Meßgeräten
auf die bisher übliche Weise in der Praxis führen kann.
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Ist beispielsweise eine solche Meßvorrichtung gerade in der Kante
einer Betonsäule angeordnet, so wird sie erhebliche Drücke anzeigen, auch wenn die
Säule nicht belastet wird. Der Beton schrumpft nämlich nach dem Abbinden, wobei
Wasser abgegeben wird, und bei dieser Materialverformung muß die Zelle nach Fig.
1 Drücke anzeigen. Indessen ist bekannt, daß beispielsweise eine Betonsäule in einer
Konstruktion zunächst stark in der Oberfläche schrumpft, wo Austrocknung am ehesten
erfolgt, und weniger stark weiter innen, wo eine Austrocknung später eintritt. Es
entsteht dabei eine auf Druck beanspruchte Mittelzone C und eine auf Zug beanspruchte
RandzoneD, wie aus dem im Prinzip in Fig. 2 gezeigten Querschnitt einer Betonsäule
hervorgeht. Die Randzone D ist zwar etwas geschrumpft. jedoch ist sie in ihrer weiteren
Schrumpfung gehindert, was auf den Widerstand der weniger ausgetrockneten und deswegen
weniger geschrumpften Mittelpartien der Betonsäule zurückzuführen ist. Das eingelegte
Meßelement zeigt, wie erwähnt, Drücke an; es sollte aber Zug anzeigen, da Zugspannungen
in der RandzoneD vorkommen. Das Meßelement registriert also vollkommen falsche Meßergebnisse,
da es Druck anstatt Zug anzeigt.
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Die angegebenen Beispiele veranschaulichen, warum die bekannten Spannungsmesser
nicht geeignet sind, in Beton oder ähnliches Material eingegossen zu werden, und
warum nur selten mittels eingegossener Meßelemente kontrolliert werden kann, ob
und wie die berechneten Spannungen mit den wirklichen, die in der fertigen Konstruktion
vorkommen, übereinstimmen und wie die Spannungen sich mit der Zeit ändern.
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung. durch welche
ein in die betreffenden Bauwerke
bzw. Erdbodenschichten einzubauendes Spannungsmeßelement
veranlaßt wird, in der Weise zu arbeiten, daß es nur wirkliche Beanspruchungen im
Material registriert und alle Zusatzbeanspruchungen (p in Fig. 1) unregistriert
läßt.
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Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß das Spannungselement
von einem in oder etwa in seiner Achsrichtung Spannung aufnehmenden Ring bzw. einer
gelochten Scheibe von beliebigem Grundriß umschlossen ist und der Werkstoff des
Ringes bzw. der Scheibe denselben Elastizitätsmodul und denselben Temperaturausdehnungskoeffizienten
wie das Spannungsmeßelement hat. Der Ring bzw. die Scheibe nimmt dabei sämtliche
Zusatzbeanspruchungen auf, wodurch das Meßelement von diesen nicht beeinflußt wird.
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Wenn eine solche Meßvorrichtung in die Randzone D der Säule nach
Fig. 2 eingelegt wird, so zeigt sie richtig Zug und nicht Druck an.
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Beträgt die Höhe und der Durchmesser der Meßzelle 10 cm, so soll
die Wandstärke des Ringes 2 bis 5 cm sein. Größere Ringe sind mit Rücksicht auf
die gewünschte Wirkung ein wenig besser, haben aber den Nachteil, daß die Meßpunkte
nicht nahe aneinander in der Konstruktion verlegt werden können. Ein Ring mit 5
cm Wandstärke eliminiert alle zusätzlichen Beanspruchungen bis auf einige Prozent,
weshalb solche Ringe vom praktischen Gesichtspunkt aus vollkommen befriedigend sind.
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Vorteilhafterweise ist die Dicke des Ringes oder der Scheibe im inneren
Teil gleich der Höhe des Spannungsmeßelementes. Jedoch braucht die Scheibe aus diesem
Grunde nicht überall gleich dick zu sein.
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Weiterhin kann es zweckmäßig sein, den Ring oder die Scheibe in eine
Anzahl ineinanderliegender Ringe aufzuteilen, deren Werkstoffe dieselben oder verschiedene
Eigenschaften haben. Die Ringe können ganz dicht nebeneinander oder voneinander
etwas getrennt liegen. Der Ring oder die Scheibe kann massiv oder perforiert ausgeführt
sein.
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Der Werkstoff des Ringes kann aus gesintertem Pulver aus Metall,
beispielsweise aus Eisen und/oder Nickel oder aus einer entsprechenden anderen Legierung
bestehen.
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Das Beispiel mit der schrumpfenden Betonsäule nach Fig. 2 und andere
Beispiele nach vorstehendem veranschaulichen Fälle, in denen besonders große Fehler
bei der Verwendung von Spannungsmessern der bekannten Art in schrumpfenden, quellenden
oder plastizierenden Materialien entstehen können.
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Es handelt sich dabei um Fehler, die in der Regel von den üblichen
Baumaterialien verursacht werden.
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Auch in Fällen, wo eine Spannungsmessung in Ma-Materialien ohne solche
Eigenschaften vorgenommen wird, ist der Ring von großer Bedeutung.
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Ein besonderer Vorteil des Ringes oder der Scheibe um das eigentliche
Spannungsmeßelement ist nämlich, daß das Meßelement nicht mehr dieselbe Steifheit
zu haben braucht wie das Material, in dem gemessen wird.
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Für eine korrekte Spannungsmessung in festen Materialien ist es eine
wichtige Voraussetzung, daß der Elastizitätsmodul des Meßelementes, Ec, dem E-Wert
des umgebenden Materials, Em, möglichst nahe angepaßt wird. Anderenfalls entsteht
eine gewisse Falschregistrierung, die von der RelationE/Em abhängig wird. Bei vielen
Materialien, z. B. Beton, kann man nicht ganz genau voraussagen, welchen
Em-Wert
der abgebundene Beton erhalten wird. Ein vom allgemeinen Spannungsmeßgesichtspunkt
aus großer und eigenartiger Vorteil des Ringes gemäß der Erfindung besteht darin,
daß die Registrierung eines in eine Masse eingegossenen Meßkörpers in wesentlichem
Grade von EC/Em unabhängig wird. Bei ECtEm tritt nämlich (s. Fig. 1), wenn die äußere
Last P kg/cm° die Masse zwischen den Schichten a-a und b-b elastisch zusammenpreßt,
eine Kantenhaftung ein, die einen Zusatzdruck in den Punktena' und b' ergibt, eine
Beanspruchung also, die keine reelle Spannung in der Konstruktion ist, sondern nur
eine lokale Spannung der Zelle. Ihre Registrierung bedeutet eine fehlerhafte Messung
der Konstruktionsspannungen. Für den Fall, daß die Masse um das Meßelement weicher
ist als das Meßelement, erhält man einen zusätzlichen Druck auf das Element in den
Punkten a' und b', im entgegengesetzten Falle eine Zusatzzugkraft in denselben Punkten.
Dadurch werden ziemlich große Abweichungen zwischen dem gemessenen und dem richtigen
Spannungswert möglich. Diese Abweichungen sind schwer zu kompensieren, da man nicht
genau angeben kann, wie die Masse um das Meßelement mit der Zeit ihren E-Wert ändert.
Alle diese Nachteile verschwinden bei Verwendung eines Meßelementes mit Ring. Ein
und dieselbe Meßkörperart kann infolgedessen für Spannungsmessung in Materialien
höchstverschiedener Steifheit verwendet werden, was einen bedeutenden praktischen
Vorteil bei der Herstellung der Meßelemente und bei ihrer Verwendung in der Praxis
bedeutet.
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Es soll hinzugefügt werden, daß der Ring auch bei Temperaturänderungen
in Konstruktionen von Vorteil ist, indem er die Zusatzspannungen oder die zu niedrigen
Spannungen eliminiert, die sonst im Meßelement auftreten müssen, sobald die Ausdehnungskoeffizienten
des Meßelementenwerkstoffes und des Betons od. dgl. um das Meßelement verschieden
sind.
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Beispielsweise unter Verwendung von Boussinesqs Theorien über die
Verbreitung von Spannungen in steifen Körpern kann man auf mathematischem Wege die
Funktionsweise der Ringe gemäß der Erfindung klarlegen. Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen
Ringe wird hier an Hand der Zeichnungen, in denen zum Teil Ausführungsbeispiele
des Erfindungsgegenstandes dargestellt sind, nachstehend beschrieben. Es zeigt Fig.
3 das von einem RingE umschlossene Meßelement B im Beton, Fig. 4 die graphische
Darstellung eines Versuchsergebnisses, Fig. 5, 6, 7, 8 und 9 verschiedene Ausführungsbeispiele
für die Ringe oder Scheiben im Querschnitt.
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Gemäß Fig. 1 verursacht das schrumpfende, plastizierende Material,
beispielsweise Beton, die Zusatzkräfte auf das Spannungsmeßelement B. Wird das Meßelement
B in Fig. 1 von einem Ring E mit demselben Elastizitätsmodul wie die Zelle umgeben,
so wird der Beton nicht wie bei bekannten Messungen am Meßelement hängenbleiben,
sondern beansprucht nach Fig. 3 statt dessen die Kante des Ringes. Die Kräfte haben
ihre größte Intensität in der Ringkante selbst, wo sie theoretisch eine unendliche
Größe annehmen, sie sind aber auch ein Stück einwärts von der Kante verteilt. Wenn
indessen der Ring genügend breit ausgeführt ist, verteilen sich die Zusatzkräfte
praktisch nicht bis zum Meßelement B, weshalb es
die Schrumpfspannung nicht registriert.
Das Spannungselement B registriert statt dessen die reellen Spannungen, die den
Betonkörper in der Wirkungsrichtung des Elementes B beeinflussen. Sie wird aber
nicht mehr von den Bewegungen des umgebenden Betonmaterials od. dgl., wie Quellung,
Schrumpfung oder plastische Verformung, beeinflußt. Verursachen dagegen diese letztgenannten
Materialbewegungen ihrerseits wirkliche Spannungen in der Konstruktion, beispielsweise
wenn die Außenschicht eines Betonbalkens oder einer Betonsäule mehr schrumpft als
die weiter einwärts von der Oberfläche liegenden Partien, so registriert das Meßelement
auch diese hinzukommenden Spannungen in gleicher Weise wie die übrigen reellen Spannungen
in der Konstruktion, und die Zusatzspannungen werden zusammen mit den übrigen reellen
Spannungen registriert. Der Ring hat das Meßelement »denkend« gemacht, so daß es
alle wirklichen Konstruktionsspannungen registriert, nicht jedoch solche Belastungen,
die durch lokale Spannungskonzentrationen auf das Meßelement durch Materialanhängung
verursacht sind, die also durch Schrumpfen, Quellen, Plastifizierung des Baumaterials
oder durch mangelhafte Übereinstimmung zwischen den Werten Ec und Ern sowie zwischen
den Temperaturausdehnungskoeffizienten des Spannungsmeßelementes und des umgebenden
Materials herbeigeführt sind.
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Fig. 4 zeigt das Resultat eines praktisch ausgeführten Schrumpfversuches
in einer Betonmasse, und zwar stellt die Kurve A das Ergebnis des Versuches mit
einem Meßelement ohne einen dieses umgebenden Ring und die KurveB das Ergebnis des
Versuches mit einem Meßelement, das von einem Ring umschlossen ist, dar. Aus dem
Versuch geht hervor, daß die Ringe in der Praxis in der oben beschriebenen Weise
wirken. Längs der Abszisse ist die Schrumpfzeit in Tagen und längs der Ordinate
die Spannung in kg/cm2 aufgetragen.
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Fig. 5 zeigt einen Ring oder eine Scheibe, der bzw. die in mehrere
konzentrische Ringe aufgeteilt ist.
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Gemäß Fig. 6 besitzt der das Spannungselement umgebende Ring eine
vom mittleren Teil nach außen hin abnehmende Dicke.
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Die Ausführungsform gemäß Fig. 7 ist dahingehend abgeändert, daß
das Abnehmen der Dicke des das Spannungsmeßelement umgebenden Ringes erst in der
Nähe der Außenkanten des Ringes beginnt.
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Der das Spannungselement umgebende Ring gemäß Fig. 8 hat eine vom
mittleren Teil aus nach außen hin zunehmende Dicke.
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Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 9 besitzt der bis nahe an dieAußenkante
mit gleichbleibender Dicke ausgeführte, des Spannungsmeßelement umgebende Ring eine
gleichmäßige Dicke, wobei der Ring in der Außenkante mit mehreren über den Umfang
verteilten Verdickungen versehen ist. Die nach jeder Seite des Ringes vorstehenden
Verdickungen besitzen, in Richtung vom Ring web gesehen, einen zunehmenden Querschnitt,
so daß beim Einbau des Spannungsmeßelementes in das betreffende Bauwerk eine schwalbenschwanzartige
Wirkung erzielt wird.
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Sowohl die in den Fig. 3 und 5 als auch die in den Fig. 6, 7, 8 und
9 dargestellten verschiedenen Ausführungsbeispiele für Ringe oder Scheiben lassen
erkennen, daß die Dicke des Ringes oder der Scheibe in seinem bzw. ihrem inneren
Teil gleich der Höhe
des in der Öffnung des Ringes bzw. der Scheibe
befindlichen Spannungsmeßelementes ist.