DE2426311B2

DE2426311B2 - Vorrichtung zur Relaxationsmessung

Info

Publication number: DE2426311B2
Application number: DE19742426311
Authority: DE
Inventors: Hachiro Nakahara Imaizumi; Shigeo Hiratsuka Yahata; Takao Fujisawa Yamazaki; Tetsuo Tokio Yasui
Original assignee: Neturen Co Ltd
Current assignee: Neturen Co Ltd
Priority date: 1973-10-30
Filing date: 1974-05-29
Publication date: 1979-01-11
Also published as: DE2426311C3; DE2426311A1; JPS5073690A; JPS587934B2

Description

Die Erfincing betrifft eine Vorrichtung zur Relaxationsmessung an einem unter konstanter mechanischer Spannung stehenden Stahlprobekörper. Zur Gütesicherung müssen bei Spannbc;onb? len die Spannstahlteile bestimmte vorgegebene Relaxationswerte erfüllen, die vor ihrem Einbau bestimmt werden müssen.

Bekanntlich stellt der Betrag der Relaxation eines Stahlprobekörpers eine Kenngröße für seine mechanischen Eigenschaften dar. Beispielsweise wird in der japanischen Industrienorm ausgeführt, daß die Relaxation im Spannstahl nach 10 Stunden unter den Bedingungen einer Anfangsspannung, die 80% der Streckgrenze entspricht, unter Raumtemperatur bei einem Stahldraht maximal 3% und bei einem Stab maximal 1,5% beträgt.

In der japanischen Industrienorm ist die Relaxation als der Quotient in % der Spannungsabnahme bei unter konstanter mechanischer Spannung stehendem Stahlprobekörper, dividiert durch die Anfangsspannung, definiert. Der Stahlprobekörper wird hierbei unter einer Spannung von 80% gehalten, die der Streckgrenze oder 0,2% Dehngrenze des Stahlprobekörpers entspricht.

Das Messen des Relaxationswertes erfolgt bekanntlich auf die folgende Art und Weise. Ein Stahlprobekörper wird beispielsweise an einem Ende fest eingespannt, während das andere Ende unter Spannung steht, die als Anfangsspannung bezeichnet wird und die sich auf 80% der Beanspruchung beläuft, die der Streckgrenze oder 0,2% Dehngrenze des Stahlprobekörpers entspricht. Hierzu verwendet man eine Zugprüfmaschine, die dieselbe Mechanik wie eine bekannte Kriechprüfmaschine aufweist. Unter dieser Spannung neigt der Stahlprobekörper dazu, sich in Spannungsrichtung zu dehnen. Die Dehnung des Stahlprobekörpers unter Spannung wird mit einer Empfindlichkeit von kleiner als I μιη mit einem bekannten Tensometer gemessen. Wenn sich der Stahlprobekörper unter der Anfangs-

4(1 spannung dehnt, vermindert sich die Anfangsspannung um einen bestimmten Betrag, und wenn die aufgebrachte Spannung weggenommen wird, kehrt der Stahlprobekörper in den Zustand mit der ursprünglichen Ausgangslänge zurück. Wenn nach einer bestimmten Zeit der Stahlprobekörper nochmals unter Spannung gesetzt wird, dehnt sich dieser wiederum, wobei sich die Spannung entsprechend vermindert Man ermittelt diese Spannungsabnahme unter der Bedin<*ung, daß die Dehnung des Stahlprobekörpers mit einer Genauigkeit von kleiner als 1 μιη gemessen wurde. Den Betrag der Relaxation bzw. den Relaxationswert des Stahlprobekörpers erhält man als Quotienten von Spannungsabnahme bei unter konstanter mechanischer Spannung stehendem Stahlprobekörper und Anfangsspannung. Zur Durchführung eines derartigen Meßverfahrens sind platzraubende und kompliziert aufgebaute Meßeinrichtungen erforderlich, während gleichzeitig die Dehnung mit hoher Genauigkeit bestimmt werden muß, was kompliziert aufgebaute Lastminderungseinrichtungen erforderlich macht Hierdurch verteuern sich derartige Vorrichtungen in wirtschaftlich unvertretbarem MaUe.

Aus der Druckschrift Rohrbach: Handbuch für elektrisches Messen mechanischer Größen (1967), VDI-Verlag, Seiten 224-226 und der DE-OS 15 48 850 sind Vorrichtungen zur Messung von Deformationen, mechanischen Spannungen, Kräften, Drücken, Temperaturen und anderer Kenngrößen bekannt, die in eine Spannungsänderung einer Saite und somit in eine Frequenzänderung der schwingenden Saite umgewandelt werden können. Hieraus läßt sich die Verwendung von Schwingungssystemen für die Untersuchung des Werkstoffverhaltens von zu untersuchenden Materialien entnehmen. Hierbei handelt es sich um veränderbare Größen. Bei allen diesen Bestimmungen sind Längenänderungen des Stahlprobekörpers ausdrücklich zugelassen und vorgesehen. Somit sind diese Vorrichtungen zur Relaxationsbestimmung ungeeignet, da hierbei eine der wesentlichen Bedingungen darin besteht, die Länge des Stahlprubükörpers konstant zu halten. Diese Vorrichtungen lassen sich demzufolge nicht zu Relaxationsbestimmungen verwenden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Relaxationsmessung zu schaffen, welche möglichst platzsparend aufgebaut ist und mit der sich die Relaxationswerte sehr zuverlässig und schnell bestimmen lassen. Insbesondere soll die Relaxation äußerst präzise erfaßt und bestimmt werden können. Die für die Vorrichtung zur Relaxationsmessung benötigten Kosten sollen möglichst niedrig gehalten werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Vorrichtung zur Relaxationsmessung an einem unter konstanter mechanischer Spannung stehenden Stahlprobekörper durch die Vereinigung folgender Merkmale gelöst:

a) ein Vibrator, der mit dem Schwingungsstartsignalgeber verbunden ist, ist elektromagnetisch an den unter konstanter Spannung stehenden Stahlprobekörper angekoppelt,

b) ein Schwingungsabtaster, der die Schwingung des Stahlprobekörpers akustisch abtastet, beaufschlagt über einen Impulsmeßkreis ein Zählwerk, das die den Schwingungen entsprechenden Impulse zählt und die Zeit mißt, die für eine bestimmte vorgewählte Anzahl von Schwingungen des Stahlprobekörpers vergeht, und

c) mit dem Gatter ist über eine Zeitverzögerungsschaltung, die an der Ausgangsseite des Schwingungsabtasters vorgesehen ist, und den Beginn der Impulszählung durch die Meßeinrichtung um eine bestimmte Zeitspanne gegenüber dem Beginn der Schwingung des Stahlprobekörpers verzögert, eine Schwingungseinheit verbunden.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Relaxationsmessung arbeitet nach dem Prinzip der Messung der Frequenz eines in Schwingung versetzten und unter konstanter Spannung stehenden Stahlprobekörpers. Das Quadrat dieser Frequenz steht in unmittelbarer Beziehung zur Spannung im Probekörper. Die Frequenzänderungen liefern somit direkt ein Maß für die Spannungsminderung im Stahlprobekörper. Dabei wird die Länge des zu prüfenden Stahlprobekörpers während der Messung nahezu konstant gehalten. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist sehr einfach aufgebaut und nimmt wenig Platz in Anspruch. Gleichzeitig gestattet sie eine sehr präzise Messung der Relaxation, da die beim Schwingungssystem auftretender Oberschwingungen höherer Ordnung das Meßergebnis beim Bestimmen der Schwingungsdauer nichi beeinflussen und verzerren. Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Relaxationsmessung bietet den Vorteil, daß aufgrund der zuverlässigen und genauen Ermittlung des Relaxationswertes eines Prüfkörpers, die durch Normung vorgeschriebenen Werte schnell und einfach überprüft sowie ermittelt werden können. Hierdurch lassen sich Schwierigkeiten beim Einbau derartiger Stähle in Spannbetonbauten von vornherein ausschalten, wobei sich jedoch die Belastbarkeit des eingebauten Spannstahls unter Einhaltung der Sicherheitswerte weitgehend und nahezu vollständig ausschöpfen läßt.

An Hand der Zeichnung wird im folgenden beispielsweise eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung näher erläutert.

A b b. I ist eine Vorderansicht eines in einen Rahmen eingespannten Stahlblocks bzw. Stahlprobekörpers, an dem der Relaxationswert gemessen wird.

Abb. 2 zeigt eine Ansicht, bei der die ganze Vorrichtung gemäß der Erfindung zusammen mit der elektrischen Schaltung dargestellt ist.

Abb. 3a bis e sind Wellenformdiagramme, anhand deren die Arbeitsweise der be\ orzugten Ausführungsform der Erfindung, wie sie in Fig. 2 dargestellt ist, erläutert wird.

Im folgenden wird die Arbeitsweise der Erfindung näher erläutert.

Für die Querschwingung einer Saite unter Spannung gilt

und für ί = f gilt

/T =

KT₁

2/

Dabei ist /die Länge der schwingenden Saite, η ist eine Schwingungskonstante, 7*ist die Spannung, g ist die Erdbeschleunigung, und γ ist die Dichte der Saite.

In Gleichung I sind n, g und γ Konstante; / wird ebenfalls eine Konstante, wenn die Prüftemperatur konstant ist. Somit gill:

/' - KT
lür ι — 0 untzcsetzl gilt:

/n - KT,

so daß sich für die Spunnungsminderung folgendes ergibt:

Wenn das Quadrat der Eigenfrequenz der Saite oder das Quadrat des Reziprokwerts der Schwingungsdauer gemessen wird, kann der Betrag der Spannungsminderung eines Stahlblocks zu einem beliebigen Zeitpunkt gemessen werden, wenn seine Länge exakt konstant gehalten wird. Bei bekannten Meßverfahren hingegen wird die Länge schrittweise nach einer aufgebrachten Anfangsspannung geändert.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist in den Fig. 1,2 und 3 dargestellt

In Fig. 1, sind mit A\, A₂, B\. Bi Teile des Rahmens bezeichnet, durch die der zu messende Stahlblock festgehalten wird. A], A2 sind Acschlußplatten, an denen in einer bestimmten Stellung die beiden Enden des mit einem Gewinde versehenen zu messenden Stahlblocks mit Muttern n\, n₂ befestigt sind. B\, B₂ sind Stützteile, an denen jeweils die Enden der Bauteile A\, A2 befestigt si:.d. Die Abschlußplatten A₁, Ai sind so genügend dimensioniert, daß sie die maximale Spannung und die maximale Biegung selbst unter einer Last von ungefähr 20 Tonnen aushalten können. Die Stützteile B₁ und B₂ sind genügend starr ausgelegt, damit sie gebogen werden können, und eine genügend hohe elastische Druckkontraktion bewirken können, wenn zwischen ihnen eine Probe unter Spannung gehalten wird.

An bestimmten Stellen an der nach innen weisenden Seite der Stützteile B,, B₂ in F i g. 2 sind ein Vibrator G, der dieselbe Funktion wie ein bekannter Magnet hat, und ein Schwingungsabtaster H mit derselben Funktion wie ein Mikrophon vorgesehen.

Die Anordnung ist so getroffen, daß ein bestimmler Spalt zwischen dem Vibrator C oder dem Schwingungsabtaster f/und dem gegenüberliegenden zu messenden Stahlblock freibleibt, der in einem Zustand unter Spannung durch den Rahmen gehalten wird.

Dieser Schwingungsabtaster H ist in Seihe mit dem Schmittkreis Seht, mit dem Gatterkreis CT\, mit dem Schwingungssiebkreis CS geschaltet und ist dann mit dem Eingang des Gatters GT₂ verbunden.

Der Vibrator G ist über die Schwingungseinheit / und der Zeitverzögerungsschaltung TCmW dem Gatter CTi verbunden.

Der Eingang des Gatters GT₂ ist mit dem Ausgang des Taktimpulsgenerators SP verbunden, während der Ausgang des Gatters GT₂ in Serie mit dem Zählwerk C, t-e;n Speicherkreis M und dem Anzeigekreis ID geschaltet ist.

Der Vibrator G überträgt durch elektromagnetische Kopplung die Schwingung auf den Stahlblock 7*und der Vibrator G ist in bezug auf den Stahlblock 7" in einer solchen Stell"ng angeordnet, daß eine Schwingung verursacht wird. Der Schwingungsabtaster //dient zum Abtasten der Schwingung des Sfahlblocks T durch elektromagnetische Kopplung; der Schwingungsabtaster H und der Stahlblock T sind in einer solchen Stellung zueinander angeordnet, daß eine Abtastung erzielt wird.

in den F i g. I und 2 sind die gleichen Teile mit denselben Bezugszeichen versehen; Es bezeichnet die Stromauelle.

Der zu messende Stahlblock 7"kann unter konstanter Spannung /wischen den Abschlußplatten A₁ und Ai unter den Stüt/teilen B\ und B₂ auf folgende Weise gehalten werden.

F.inerseits, wie in I·'i g. I gezeigt ist, können beide F.nclcn des Stahlblocks 7"an den entsprechenden Stellen der Abschlußplatten A\ und A₂ mit einem Gewinde versehen sein, und werden dort mit Muttern n\, n₂ befestigt. Dabei ist das Ende V des Stahlblocks, der an der Abschlußplatte A₂ befestigt ist, festgelegt, wobei ein S'.iick über die Abschlußplatte A₂ in Fi g. 1 nach rechts hinaus ragt, welches lang genug ist, um mit einem Verbindungsstück E, das unter Bezugnahme auf F i g. 2 näher erläutert wird, die entsprechenden Gewinde einander anzupassen.

Ein so an dem Rahmen angebrachter Stahlblock T, der unter konstanter Spannung gehalten wird, ist in F i g. 2 dargestellt. In F i g. 2 sind /I₁, A₂. Si, Βί, ti\, π₂, T\ und Fdie entsprechenden Bauteile der Anordnung, wie sie in F i g. 1 dargestellt ist.

In F i g. 2 ist das Verbindungsstück E eine bekannte Mutter.

Dieses Verbindungsstück E ist mit Innengewinden versehen, die entsprechend mit dem Gewinde Si, das am Umfang des rechten Endes des Stahlblocks Tin Fig. 1 und 2 vorgesehen ist, und mit dem Gewinde S₂, das an der Spitze des Zugstabes TR zum Übertragen der Spannung mit Hilfe des Hubzylinders F vorgesehen ist, in Eingriff sind.

Indem das Außengewinde Si am Ende T' des Stahlblocks Γ und das Außengewinde S₂ an der Spitze des Zugstabes TR entsprechend in die gegenüberliegenden Enden des Verbindungsstücks Egeschraubt werden, sind das Ende F des Stahlblocks Γ und die Spitze des Zugstabes TR, der in einem Hubzylinder Fangeordnet ist, durch das Verbindungsstück E miteinander verbunden. Wenn die hydraulische Einrichtung auf bekannte Art und Weise betätigt wird, wird der Kolben (nicht gezeigt) des Hubzylinders Fin Richtung des gebrochen dargestellten Pfeiles bewegt, dadurch wird der Zugstab TR im Bild nach rechts bewegt und somit wird der Stahlblock Teiner Anfangsspannung T₀ ausgesetzt. Aus der auf den Stahlblock Tausgeübten Anfangsspannung To ergibt sich, daß sich der Stahlblock um einen bestimmten Betrag in Richtung des mit gebrochenen Linien dargestellten Pfeiles in F i g. 2 dehnt, und dabei ist die Mutter /J₂ nicht mehr in Berührung mit der Abschlußplatte A₂, so daß sich diese Mutter /J₂ an der Stelle befindet, wie sie in Fig.2 gezeigt ist. Nach dem Aufbringen der Anfangsspannung T₀ auf den Stahlblock Γ wird die Mutter n, auf dem Außengewinde des Endes T des Stahlblocks T in Richtung des mit einer ausgezogenen Linie dargestellten Pfeiles bewegt, und damit liegt diese Mutter m an der Oberfläche der Abschlußplatte A₂ an. Somit ist der Stahlblock runter einer Anfangsspannung zwischen den beiden Abschlußplatten At und A₂ eingespannt Folglich ist das Verbindungsteil £ außer Eingriff von T des Stahlblocks T und von der Spitze des Zugstabes TR; und der Hubzylinder Fist abgesenkt

Dabei kann die Anfangslast durch bekannte Dehnmeßstreifen auf dem Stahlblock rüberprüft werden.

Nachdem der Stahlblock Γ mit dem Rahmen, der aus Abschlußplatten A_u Ai und den Stützteilen S₁, B₂ gebildet wird, unter konstanter Spannung gehalten ist, wird der Stromkreis an der Stromquelle Es geschlossen. Dann wird die Schwingungseinheit /in der entsprechenden Stellung angebracht Wenn der Druckschalter PB kurzzeitig gedrückt wird, d. h. daß manuell der Stromkreis geschlossen wird, wodurch die Schwingungseinheit / in Retrieb ist, und ihr momentaner Schwingungsimpulsausgang wird über den Vibrator G

-. auf den Stahlblock T übertragen. Dann führt der Stahlblock T eine gedämpfte Schwingung mit einer Resonanzfrequenz aus, die von der Spannung, unter der der Stahlblock gehalten ist, abhängt. P ff ist schalterbctätigt mit dem Druckschalter Pflverriegelt.

in Der Schwingungsabtaster H, der die Schwingung des Stahlblocks T, die durch den Vibrator G verursacht wurde, elektrisch abtastet, übermittelt ein Signal in Wellenform zu dem Schmittkreis Seht, wie diese in Fig.3(a) dargestellt ist, wobei der Schmittkreis dieses

ΙΊ Signal in eine Rechteckwelle umwandelt, wie sie in Fig. 3(b) dargestellt ist. Das Ausgabesignal von dem Schwingungsabtaster H, das durch die Oberschwingungen höherer Ordnung beeinflußt ist, kann bei seinen ersten paar Impulsen kaum einen genauen Impuls

.»ο liefern, um dies zu vermeiden, lsi es eriofucriicn, daß die Anfangsimpulse, die durch die Oberschwingungen höherer Ordnung beeinflußt sind, ohne Zählung übersprungen werden, so daß die Zählung von den Folgeimpulsen, die nun frei von einem solchen Einfluß

r> sind, beginnt. Deshalb wird der Ausgang der Schwingungseinheit /gleichzeitig zu einer bekannten Zeitverzögerungsschaltung TC als auch zu dem Vibrator G gegeben. Die Zeitverzögerung, die durch die Zeitverzögerun^j&chaltung 7TC in /Sekunden vorgegeben wird,

in bewirkt, daß der von der Schwingungseinheit vom Ausgang des Schwingungsabtasters H erhaltene Eingang nach t Sekunden ausgegeben wird. Der Gatterkreis GT ist so angeordnet, daß nur, wenn er Eingabesignale sowohl von dem Schmittkreis Schi als

ti auch von der Zeitverzögerungsschaltung TC erhält, elektrisch leitend wird, um ein Ausgabesignal abzugeben, wenn nach t Sekunden der Ausgang des Schwingungsabtasters H frei von dem Einfluß der Oberschwingungen höherer Ordnung ist.

4(i Bei dieser Anordnung kann die auf den Ausgang der Zeitverzögerungsschaltung TC folgende Ausgabe des Schwingungsabtasters H in Fig. 3{c), d. h. der Ausgang, der an der rechten Seite der S-Linie in F i g. 3(a) gezeigt ist, durch den Schmittkreis Seht in eine Rechteckwelle.

j-, wie sie in F i g. 3(b) dargestellt ist, umgewandelt werden, der dann an dem Schwingungsselektivkreis CSanliegt.

Im Schwingungsselektivkreis CS ist die Anzahl der zu zählenden Impulse vorgewählt, so daß der Ausgang abgeschnitten werden kann, nach dem die vorgewählte

■>n Anzahl von Impulsen, die auf den Anfangsimpulseingang erfolgen, gezählt worden sind. Somit erzeugt der Schwingungsselektivkreis CS die vorgewählte A. zahl von Impulsen, wie den Ausgang, der zu dem Kreis GT₂ übermittelt wird. Dieser Gatterkreis GTi empfängt den Grundimpuls von dem Taktimpulsgenerator SP, wie es in Fig.3(e) gezeigt ist, und somit kann die Zeitdauer, während der der Schwingungsselektivkreis CS ein Ausgabesignal gibt, von dem Zählwerk C ermittelt werden, das die Grundtaktimpulse zählt

Angenommen, die Anzahl der Impulse, die gezählt werden, und die Ausgabe durch den Schwingungsselektivkreis CS während der Schwingungsdauer, die in Fig.3(d) dargestellt ist sei vorgewählt kann die Gesamtzeit, die für die vorgewählte Schwingung S—E in Fi g. (a)—(b) benötigt wird, von dem Impulsausgang des Grundtaktimpulsgebers SP ermittelt werden. Die so ermittelte Gesamtzeit wird in dem bekannten Speicherkreis M gespeichert und kann durch ein bekanntes

Anzeigegerät angezeigt werden. Und wie oben in der Gleichung 2 gezeigt ist. ergibt der Reziprokwert der Gesamtzeit dar Maß der Spannungsminderung infolge Kriechens in dem gemessenen Stahlblock.

Gemäß der Erfindung kann das Maß der Spannungsminderung in z. (3. vorgespanntem Stahl mit Hilfe einer einfüllen Vorrichtung einfach im Vergleich /u der bekannten umfangreichen Anordnung, wie sie eingangs erwähnt ist, gemessen werden.

Der Stahlstab wird unter konstan'er Spannung gehalten, ein Vibrator, der mit einem Schwingungsbeginnsignalgeber verbunden ist, ist so angeordnet, daß die Schwingung des Stahlblocks in Folge elektromagnetischer Kopplung verursacht werden kann; ein Schwingungsabtaster ist so angeordnet, daß die Schwingung

des .Stahlblocks mit Hilfe elektromagnetischer Kopplung abgetastet werden kann. Weiterhin ist ein Zählwerk vorgesehen, das die Anzahl der gedämpften Schwingungen des Stahlblocks aufgrund der Eigenfrequenz als Zeitdauer messen kann, die für eine beliebige Anzahl von Schwingungen z. B. einige zehn oder hundert Schwingungen pro Sekunde erforderlich ist.

Mit einer solchen Anordnung kann der Betrag der Spannungsminderung infolge Kriechens bei einer beliebigen Zeitabnahme nach dem der Stahlblock unter Spannung gesetzt wurde, als ein Quadrat der Eigenfrequenz der Schwingung oder als ein Quadrat des Kehrwerts der Schwingungsdauer des Stahlblocks gemessen werden, die von den Ausschlägen des Zählwerks hergeleitet worden ist.

Hierzu

Claims

Patentanspruch:

Vorrichtung zur Relaxationsmessung an einem unter konstanter mechanischer Spannung stehenden Stahlprobekörper, gekennzeichnet durch die Vereinigung folgender Merkmale:

(a) ein Vibrator (GJt der mit einem Schwingungsstartsignalgeber (I) verbunden ist, elektromagnetisch an den unter konstanter Spannung ^ln stehenden Stahlprobekörper (T) angekoppelt,

(b) ein Schwingungsabtaster (H), der die Schwingung des Stahlprobekörpers (T) akustisch abtastet, beaufschlagt über einen Impulsmeßkreis (Seht, GTt, CS, GT2) ein Zählwerk (CJl '⁵ daß die den Schwingungen entsprechenden Impulse zählt und die Zeit mißt, die für eine vorbestimmte vorgewählte Anzahl von Schwingungen des Stahlprobekörpers (T) vergeht, und

(c) ml· dem Gatter (GTl) ist über eine Zeitver- '" zogerungsschaltung (TC), die an der Ausgangsseite des Schwingungsabtasters (H) vorgesehen ist und den Beginn der Impulszählung durch die Meßeinrichtung (CS, GT2, Q um eine bestimmte Zeitspanne gegenüber dem Beginn der -'' Schwingung des Stahlprobekörpers (T) verzögert, eine Schwingungseinheit (I) verbunden.