DE3209435A1

DE3209435A1 - Vorrichtung zur feststellung punktueller verschiebungen an entsprechend beanspruchten baulichkeiten

Info

Publication number: DE3209435A1
Application number: DE19823209435
Authority: DE
Inventors: Mario Segrate Corti; Fulvio Cremona Parmigiani
Original assignee: CISE Centro Informazioni Studi e Esperienze SpA
Current assignee: CISE Centro Informazioni Studi e Esperienze SpA
Priority date: 1981-03-23
Filing date: 1982-03-16
Publication date: 1982-10-07
Also published as: CH648666A5; US4526465A; IT1135701B; FR2502341B1; FR2502341A1; IT8120666A0

Description

Vorrichtung zur Feststellung punktueller Verschiebungen an entsprechend beanspruchten Baulichkeiten

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Feststellung punktueller Verschiebungen an entsprechend beanspruchten Baulichkeiten.

Insbesondere hat es die Erfindung mit einer Vorrich-r tung zu tun, welche Vibrations-Fühlmittel dazu benutzt, die Verschiebungen von Punkten an Bauten zu erfassen, welche entweder durch künstlich erzeugte oder natürlich auftretende Kräfte entsprechend erregt werden. Solche Bauten können beispielsweise sein: große Gebäudekonstruktionen, Dämme, Industriebauwerke, beispielsweise Kamine, Wohngebäude, Paläste und dergleichen.'

Es ist eine Reihe von Vorrichtungen bekannte, welche dynamische Analysen erregter Baulichkeiten durchführen,

— 5—

A 45 101 m

m - 176 - 5 -

11. März 1982

wobei die Baulichkeiten ihrerseits zu diesem Zwecke entweder künstlich angestoßen oder gerüttelt oder unter natürliche Beanspruchung gesetzt werden, beispielsweise durch ein natürlich vorkommendes, mikroseismisches Phänomen.

Die bekannten Vorrichtungen weisen gewisse Nachteile auf.

So sind die in ihnen verwendeten Schwingungs-Fühlmittel, bei denen es sich gewöhnlich um piezo-elektrische' oder elektro-magnetische Einrichtungen handelt, sperrig und ihre Positionierung und Eichung (Kalibrierung) ist derart schwierig, daß die Messungen erschwert wenn nicht gar unmöglich gemacht werden. Diese Umstände liegen insbesondere in den Fällen gleichzeitiger Messungen sowohl tangentialer als auch radialer Verschiebungen der betreffenden, in Erregungszustand versetzten Baulichkeit vor.

Darüberhinaus beeinflussen die bekannten Vorrichtungen sehr häufig die mechanischen Eigenschaften des zu messenden Systems selbst.

Es ist Aufgabe der Erfindung, den geschilderten Mangeln der bekannten Vorrichtungen abzuhelfen.

Zur Lösung dieser Aufgabe zeichnet sich eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Erfassung der Verschiebungen von Punkten an erregten Baulichkeiten durch folgende

-6-

A 45 101 m

m - 176 - 6 -

11. März 1982

Merkmale aus:

Fühlmittel für kohärente Lichtschwingungen mit wenigstens einer Gruppe aus zwei Laserstrahl-Interferometern, die auf einen gemeinsamen Auftreffpunkt an der Baulichkeit fokusiert sind;

Winke 1-Fühlm.ittel, die mit den Inter ferometern wenigstens einer der beiden Gruppen starr verbunden sind;.

Mittel zur Behandlung der interferometrischen, aus den Vibrations-Fühlmitteln stammenden Messdaten und der aus den Winkel-Fühlmitteln herrührenden Winkel-Messdaten.

Die nachstehende Beschreibung von zwei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit beiliegender Zeichnung der weiteren Erläuterung. Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm einer Vorrichtung

zur Erfassung punktueller Verschiebungen an einer durch künstlich erzeugte Kräfte gerüttelten oder angestoßenen Baulichkeit und

Fig. 2 ein Blockdiagramm einer alternativen Ausführungsform zur Erfassung der Verschiebungen von Punkten an einer Baulichkeit, die durch natürlich auftretende Kräfte angestoßen oder gerüttelt 1st»

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung, wie sie in den Blockdlagrammen der Figuren 1 und 2 dargestellt ist, zeigt

-7-

A 45 101 m

m - 176 - 7 -

11. März 1982

eine immer wiederkehrende Grundfiguration, die aus einem Laserstrahl-Interferometer 10 besteht, welches seinerseits einen kohärenten Lichtstrahl auf einen mit der Baulichkeit integralen Ziel- oder Auftreffpunkt projiziert und das zurückgestreute Licht mit einem lokalen Oszillator vergleicht, um auf diese Weise durch eine Fotodiode ein elektrisches Signal zu erzeugen, welches die gewünschten Informationen enthält.

Das Laserstrahl-Interferometer 10 ist von der Art, wie sie in den US-Patentschriften 41 23 166, 41 23 167 und 41 70 397 beschrieben ist.

Im Blockdiagramm der Fig. 1 ist eine Vorrichtung gemäß der Erfindung dargestellt, welche sich dazu eignet, die radialen und tangentialen Verschiebungen von Punkten .an einem Gebäude 30 zu messen, wobei dieses Gebäude durch harmonische Kräfteschwingungen gerüttelt oder angestoßen ist, die eine in geeigneter Weise gewählte Frequenz und Größe (Amplitude) haben.

Das Blockdiagramm zeigt:

einen Generator 31 zur Erzeugung von Antriebs- oder Treibsignalen, die ein Signal jener Art zu einer Vorrichtung 32 übermitteln, so daß das Gebäude oder die Baulichkeit 30 mit variabler Amplitude und Frequenz rüttel- oder anstoßbar ist?

zwei Laserstrahl-Interferometer 10 der oben erwähnten Art, die beweglich sind und von denen jedes einen kohärenten Lichtstrahl 20 auf einen am Gebäude 30

-8-

A 45 101 m

m - 176 - 8 -

11. März 1982

vorhandenen» beiden Interferometern gemeinsamen Zieloder Auftreffpunkt 33 projiziert; zwei Winkel-Fühlmittel 36, die jeweils mit einem der . beiden Interferometer 10 zu einer integralen Einheit verbunden sind und deren Ausgang an eine Computer- oder Rechnereinheit 35 angeschlossen ist; zwei 2-Kanal-Spektralanalysatoren 34, von denen jedes an seinem Eingang das Ausgangssignal eines der beiden Interferometer 10 sowie das Ausgangssignal des Generators 31 empfängt und ein behandeltes Signal an die Computereinheit 35 abgibt.

Um Messungen der radialen und tangentialen Bewegungen des Punktes 33 ausführen zu können, werden in einem ersten Meßstadium die topografischen Positionen jedes Interferometers 10 relativ zu einem Bezugssystem durch die üblichen trigonometrischen Verfahren bestimmt.

Während einer zweiten Meßstufe werden die Koordinaten des Auftreffpunktes 33 relativ zum Referenzsystern dadurch bestimmt, daß man als Ziel-Tracer die Laserstrahlen 20 der beiden Interferometer 10 benutzt und die zuvor erwähnten topografischen Positionen der Interferometer 10 mit den Winkel-Meßdaten mit Hilfe der Computereinheit 35 behandelt, wobei diese Winkel-Meßdaten von den beiden Sensoren oder Fühlmitteln 36 geliefert werden.

Ein nachfolgender Schritt besteht darin, den Generator 31 zu betätigen, der seinerseits die Vorrichtung 32 so

A 45 101 ro

m - 176 - - 9 -

11. März 1982

antreibt, daß die Baulichkeit 30 schwingungsmäßig mit einer Kraft beansprucht wird, welche die von der Bedienungsperson gewünschte Größe und Frequenz hat.

Jedes Interferometer 10 liefert über den entsprechenden Spektral-Arialysator 34 zur Computereinheit 35 ein Signal, dessen Spannung proportional zur geometrischen Projektion der Verschiebung des Punktes 33 auf die Ausbreitungsrichtung des InterferometerStrahls ist.

Die Heßdaten, welche die Computereinheit 35 erreichen, ermöglichen es, Informationen über die radialen und tangentialen Verschiebungen des Auftreffpunkts 33 zu erhalten und vermitteln darüberhinaus auch den relativen Phasenwinkel des letzteren relativ zum Treibsignal. Letztenendes gestattet es die Anlieferung des Erregungs-Ausgangssignals durch die Generatoren 31 zu dem Spektral-Analysator 34 der Computereinheit 35, einen solchen Phasenmeßwert zu liefern, und zwar zusätzlich zur Verbesserung des Signal-Rausch-Verhältnisses.

Die an die Computereinheit 35 gelieferte Information kann anschließend, beispielsweise grafisch behandelt werden, so daß sich die Verschiebungen des Auftreffpunktes 33 besser darstellen lassen.

Durch die Vornahme wiederholter Ablesungen der Schwingungen für eine Mehrzahl nässend ausgewählter Punkte der Baulichkeit 30 ist es möglich, das Gesamtverhalten

-10-

• ·· ·· ■>·■

A 45 101 m

m - 176 - 10 -

11. März 1982

der Baullchkeit im, Erregungszustand zu beurteilen.

Um in der Lage zu sein, den Frequenzmodus zur Bean~ spruchung der Ba.ulich.keit entsprechend auswählen zu können, wird die betreffende Baulichkeit'angestoßen oder gerüttelt, und zwar unmittelbar nach der Beobach-

tüngs-Betriebsstufe. Diese Erregung erfolgt mit einer

Kraft, deren Frequenz langsam variabel ist. Die Frequenzen, die den Maxima des so erhaltenen Amplitudenspektrums entsprechen, entsprechen den Resonanzfrequenzen der symmetrischen und antisymmetrischen modes. Um mögliche Resonanzfrequenzen nicht aus dem Blick zu verlieren, ist es ratsam, die Messungen bei einer Mehrzahl ausgewählter Auftreffpunkte des Gebäudes zu wiederholen, wenn möglich entfernt von Knotenpunkten.

Sollte es erwünscht sein, zusätzlich zu den radialen und tangentialen Verschiebungen auch die vertikalen Verschiebungen des Auftreffpunktes zu kennen, zu genügt es, ein drittes Interferometer 10 für kohärentes Licht mit zugehörigem Winkel-Fühlmittel 36 und Spektral-Analysator 34 zuzufügen, um diesem Zwecke zu genügen. Die Betriebsweise ist dem zuvor beschriebenen Vorgehen völlig ähnlich.

Das Blockdiagramm der Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform, der Erfindung, mit deren Hilfe radiale und■tangentiale Verschiebungen einer Baulichkeit 40 gemessen werden können, wobei, diese Baulichkeit durch eine zufällig auftretende Kraft 41, beispielsweise

-11-

A 45 101 m

m -176 · - 11 -

11. März 1982

durch Wind, in den erregten oder beanspruchten Zustand versetzt wird.

Das Blockdiagramm zeigt:

vier Laserstrahl-Interferometer 10 der oben beschriebenen Art.. Zwei, dieser Interferometer, die mit 10.1 bezeichnet sind, liegen außerhalb der Fig. 2 und senden zwei' entsprechende kohärente Lichtbündel 20.1 zu einem. Auftreffpunkt 42 aus, der für beide Interferometer gemeinsam ist und auf der Baulichkeit 40 liegt. Diese Strahlenbündel sind derart beweglich, daß mit ihnen auch andere Punkte der Baulichkeit 40 getroffen werden können. Die beiden übrigen, mit den Bezugszeichen 10.2 versehenen Interferometer liegen innerhalb des Feldes der Fig. 2 und senden zwei entsprechende kohärente Lichtbündel 20.2 zu einem zweiten, gemeinsamen Auftreffpunkt 43 an der Baulichkeit 40 aus. Die beiden letztgenannten Interferometer sind im Raum ortsfest angeordnet;

zwei Winkel-Fühlmittel 46, von denen jedes mit jeweils einem der beiden Interferometer 10.1 zu einer Einheit .integriert ist. Der Ausgang der Winkel-Fühlmittel ist mit einer Computereinheit 45 verbunden; zwei 2-Kanal-Spektralanalysatoren 44, von denen jedes an seiner Eingangsseite die Ausgangssignale jeweils eines der beiden Interferometer 10.1 und der zugehörigen Interferometer. 10.2 empfängt und z.ur Computereinheit 45 ein behandeltes Signal liefert.

A 45 101 πι

m - 176 - 12 -

11. März 1982

Jedes Paar der Llchtbündel 20.2 liegt auf derselben horizontalen Ebene, während jedes Paar der Lichtbündel 2.1-2.2 auf derselben vertikalen Ebene liegt.

In ählicher Weise wie zuvor beschrieben, liefert jedes Interferometer 10.1 über die entsprechenden Spektral-Analysatoren 44 (Frequenzkorrelatoren) zur Computereinheit 45 ein Spannungssignal, welches der geometrischen Projektion der Verschiebung des Auftreffpunkts 42 relativ zu einem Bezugssystem proportional ist.

Im Unterschied zur Funktionsweise der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung, wird das Ausgangssignal jedes Interferometers 10.1 in den Spektral-Analysatoren 44 mit dem Ausgangssignal des angrenzenden Interferometers 10.2 in Beziehung gesetzt, wobei das Bündel 20.2 dieser Interferometer auf den Punkt 4 3 derart fixiert ist, daß sich zwischen dem Punkt 42 und dem Punkt 43 eine übertragungs- oder Transferfunktion ergibt.

Die Amplitude der Maxima der Übertragungsfunktion relativ zu den Resonanzfrequenzen und deren entsprechende Phasen ergeben einen Vektor, welcher zur Bewegung des Punktes 42, normalisiert relativ zum Punkt 43, proportional ist. Die Meßdaten, welche die Computereinheit 45 erreichen, ermöglichen die Erzeugung einer Information, welche sich auf die Verschiebungen, und zwar sowohl in radialer als auch tangentialer Richtung, ■ als auch auf den entsprechenden Phasenwinkel des Punktes 43, normalisiert relativ zum Punkt 43, bezieht.

-13-

• · O <

• · m. ι

A 45 101 m

m - 176 - 13 -

11. März 1982

In der gleichen Weise wie im Zusammenhang mit der Vorrichtung gemäß Fig. 1 erläutert, kann die von der Computereinheit 45 erhaltene Information grafisch behandelt werden, so daß sich eine bessere Darstellung der Verschiebungen des Auftreffpunktes 42 ergibt. Wenn es darüberhinaus erwünscht ist, zusätzlich zu den radialen und tangentialen Verschiebungen des Auftreffoder Zielpunktes auch noch dessen vertikale Verschiebungen zu erhalten, genügt es, ein weiteres Paar an Interferometern 10.1 und 10.2 mit entsprechendem, einstückig oder starr mit dem Interferometer 10.1 verbundenen Winkel-Fühlmittel 46 und entsprechendem Spektral-Analysator 44 hinzuzufügen, wobei der Ein~ gang des letzteren Geräts mit den Ausgängen der beiden vorgenannten Interferometern verbunden iat.

-14-

Claims

HOEGER, STELLBi=VHT:Ä'^A-RTNER

PATENTANWÄLTE UHLANDSTRASSE 14 c ■ D 7000 STUTTGART 1

A 45 101 m Anmelder: CISE-Centro Informazioni m - 176 Studi Esperienze S.p.A.

11. März. 1982 Via Carducci 14

Milan/Italien

Patentansprüche

( 1 . Vorrichtung zur Feststellung punktue Her Verschie-

^ ^ bungen an entsprechend beanspruchten Baulichkeiten,

gekennzeichnet durch folgende Merkmale: Fühlmittel für kohärente. Lichtschwingungen mit wenigstens einer Gruppe aus zwei Laserstrahl-Interferometern (10), die auf einen gemeinsamen Auftreffpunkt (33) der Baulichkeit (30) fokusiert sind;

Winkel-Fühlmittel (36), die mit den Interferometern (10) wenigstens einer Gruppe starr verbunden sind;

Mittel (34, 35) zur Behandlung der interferometrischen, aus den Fühlmitteln (10) für die Lichtschwingungen stammenden Messdaten und der aus den Winkel-Fühlmittel (36) stammenden Winkelmessdaten.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühlmittel für kohärente Lichtschwingungen aus zwei beweglichen Laserstrahl- Interferometerη (10) bestehen, die auf einen gemeinsamen Auftreffpunkt (33) an der Baulichkeit fokusiert sind.

-2-

A 45 101 m

m - 176 - 2 -

11. März 1982
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Winkel~Fühlmittel starr mit einem Winkel-Fühlmittel verbunden ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet/ daß der Ausgang jedes Interferometers (10) über einen Spektral-Analysator (34) mit einer Computereinheit verbunden ist, und daß auch der Ausgang der jeweiligen Winkel-Fühlmittel (36) mit der Computereinheit (35) in Verbindung steht.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Eingang jedes Spektral-Analysators (34) mit dem Ausgang eines Treibsignal-Generators (31) verbunden ist, welcher seinerseits mit einer Einrichtung (32) in Verbindung steht zur künstlichen Beanspruchung, insbesondere Rüttelung der Baulichkeit mit einer Kraft von variabler Größe und Frequenz.
6. Vorrichtung nach einem der voranstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Fühlmittel für kohärente Lichtschwingungen . (10)' vier Laserstrahl-Interferometer (10.1, 10.2) umfassen, von denen zwei (10.2) auf einen gemeinsamen Auftreffpunkt (4 3) fokusiert und im Raum ortsfest gehalten sind, während die beiden anderen (10 «. 1) auf einen anderen, gemeinsamen Auftreffpunkt (42) fokusiert und beweglich sind.

-3-

45 101 πι _mm *) _mm • * * A - 176 '..·.::. 3209435 IQ 1. März 1982 1
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß mit jedem Interferometer ein Winkel-Fühlmittel (46) starr verbunden ist.
8. ■ Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang jedes aus einem beweglichen und einem ortsfesten Interferometer (10.2, 10*1) bestehenden Paares über einen Spektral-Analysator (44) mit einer Recheneinheit (45): verbunden ist, und daß auch der Ausgang der betreffenden Winkel-Fühlmittel mit der_Rechnereinheit (45) in Verbindung steht.

-4-