DE3704390A1 - Verfahren zur darstellung von spannungen und/oder verformungen von verbundsystemen der bautechnik und anordnung zur durchfuehrung dieses verfahrens - Google Patents

Verfahren zur darstellung von spannungen und/oder verformungen von verbundsystemen der bautechnik und anordnung zur durchfuehrung dieses verfahrens

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Darstellung von Spannungen und/oder Verformungen von Verbundsystemen der Bautechnik und Anordnungen zur Durchführung dieses Ver­ fahrens.
Verbundsysteme der Bautechnik im Sinne der Erfindung sind gekennzeichnet durch
-Unterschicht, z. B. Beton
Klebeschicht, z. B. hydraulisch erhärtender Dünnbett-, Mittelbett- oder Dickbettmörtel bzw. Dispersions- oder Reaktionsharzklebstoff-Fliesen
Belagsschicht, z. B. keramische Belagsschicht in Form von Keramikfliesen
-Unterschicht, z. B. Gips
Sperrschicht, z. B. Grundierung
Klebeschicht, z. B. Dispersionsklebstoff
Belagsschicht, z. B. keramische Belagsschicht in Form von Keramikfliesen
-Unterschicht, z. B. Beton
ggf. Haftschicht, z. B. Haftbrücke
Reparaturschicht, z. B. Reparaturmörtel
-Unterschicht, z. B. Beton
Beschichtung, z. B. Estrich
-Bauelement, z. B. aus Beton
Injektionsfüllmittel in Rißspalten im Bauelement
Derartige Verbundsysteme werden z.B. für Fußboden-, Wand- oder Dachkonstruktionen eingesetzt.
Aufgrund unterschiedlicher Elastizitätsmodule, Wärmeaus­ dehnungskoeffizienten etc., kommt es beispielsweise bei einer Fußbodenkonstruktion, insbesondere bei Einsatz einer Fußbodenheizung, aber auch durch Belastung des Fußbodens durch Begehen, zu elastischen Verformungen, die eine ent­ sprechende Belastung für ein solches Verbundsystem dar­ stellen. Des weiteren sind beispielsweise mit Kera­ mik-Fliesen belegte Balkone, mit Estrich versehene Außen­ flächen von Gebäuden oder für diese Anwendungen geeignete Reparaturmörtel oder dergleichen durch starke Temperatur­ schwankungen im Sommer und Winter, als auch am Tag und in der Nacht und den damit verbundenen zerstörerisch wirken­ den Spannungen im höchsten Grad gefährdet.
Die Bauchemieindustrie ist daher bemüht, Mörtel zum Ver­ kleben von Keramikfliesen z.B. im Dünnbettverfahren, oder Zusätze dazu zu entwickeln, die die Mörtel flexibler wer­ den lassen; sie sind dadurch verformungsfähiger und können Spannungen aufnehmen und abbauen. Besonders für die Ver­ legung von keramischen Belägen und Dämmstoffplatten auf verformungsfähigen Untergründen, wie Betonfertigteilen, Heizestrichen, Gipskarton-, Gipsfaserplatten und Trocken­ estrichen etc., werden spezielle Grundierungen (Sperrschichten), Haftbrücken und hydraulisch erhärtende Dünnbett-, Mittelbett- oder Dickbettmörtel bzw. Dispersions- oder Reaktionsharzklebstoffe entwickelt. Für die Reparatur schadhafter Betonoberflächen werden Flick­ mörtel oder Mörtelhaftzusätze, wie PCI-Emulsion®, ent­ wickelt, ebenso wie Reparaturmörtel für Füllungen von Betonausbrüchen.
Um derartige neuartige Materialien entwickeln zu können bzw. den durch diese hervorgerufenen Fortschritt gegenüber den bekannten Materialien feststellen zu können, bedarf es der Ermittlung der physikalischen Materialeigenschaften. Insbesondere ist dabei von Interesse, wie sich die Mate­ rialien im Verbund mit anderen verhalten.
Im Bereich der Bauchemie ist es bekannt, Verbundsysteme in der Hauptsache nach ihrer Druckfestigkeit, Biegezugfestig­ keit und ihrer "Elastizität" zu beurteilen. Die "Elastizi­ tät" ist hierbei meist durch den E-Modul gekennzeichnet, der über die Druckfestigkeitsmessungen indirekt bestimmt wird. So wird z.B. für Stoffe für keramische Bekleidungen im Dünnbettverfahren die Haftzugfestigkeit im Verbund­ system nach DIN 18 156 bestimmt. Für die Prüfung der Ver­ formbarkeit von Klebungen mit Klebstoffen für keramische Bekleidungen ist ein Entwurf DIN 53 265 in Diskussion. Diese Vorgehensweise ist allerdings sowohl nach theoreti­ schen als auch nach praktischen Gesichtspunkten nicht unum­ stritten, da es dadurch nicht möglich ist, Aussagen über die Verteilung der Spannungen im Prüfkörper zu machen, d.h. diese zu lokalisieren.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Anordnung hierfür zu schaffen, mittels welchen auf wirtschaftliche Weise qualitativ und quantitativ gute Ergebnisse bei der Untersuchung der Spannung und/oder Verformungen von einschlägigen Verbundsystemen erzielt werden können.
Diese Aufgabe wird in bezug auf das Verfahren erfindungs­ gemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptan­ spruches gelöst.
Überraschenderweise hat sich bei einer Vielzahl von Ver­ suchen gezeigt, daß bei erfindungsgemäßer Anordnung und Ausbildung der spannungsoptischen Schicht sehr brauchbare, d.h. auswertbare und reproduzierbare Darstellungen der Spannungsverläufe erzielt werden können.
Die Verformungen und Spannungen der Verbundsysteme, die insbesondere Fußboden-, Wand- und Dachkonstruktionen aus Beton, Fliesenklebstoff und Keramikfliesen, Haftbrücken, Reparaturmörtel, Estrich, Rißinjektionen, Zementkorro­ sionsschutzmittel, Dachbeschichtungen und Korrosionsschutz umfassen, und aus einem oder mehreren dieser Materialien bestehen, sowie schichtweise aufgebaut sind, werden mit­ tels eines spannungsoptischen Oberflächenschicht-Verfah­ rens sichtbar und auswertbar dargestellt.
Zu diesem Zweck wird die eine frei zugängliche interessie­ rende Fläche des Verbundsystems mit einer spannungsopti­ schen Schicht versehen. Diese interessierende Fläche ist meist eine Schnittfläche parallel zur Hauptbelastungsrich­ tung, bei einem waagerechten Fußboden also eine Schnitt­ fläche lotrecht in den Fußboden hinein. Die Schnittfläche muß plan sein und orthogonal zu ihr in einigem Abstand frei zugänglich, um dort ein Reflektionspolariskop anzu­ ordnen. Ist eine solche örtliche Zuordnung nicht möglich, so kann ein entsprechend präpariertes Muster der betref­ fenden Verbundschicht optisch untersucht werden.
Zwar ist es auf dem Gebiet der Modellstatik bekannt, unter Zuhilfenahme eines Modells und eines spannungsoptischen Verfahrens Belastungsanalysen von bautechnischen Elementen durchzuführen. Dabei besteht das Modell aus einem isotrop durchsichtigen Stoff (Glas, Bakelit u.ä.) mit der Eigen­ schaft, durch elastische Deformation optisch anisotrop zu werden. Durch Bestrahlen des Modellkörpers mit polarisier­ tem Licht kann dann der Spannungszustand z.B. mit einem Reflexionspolariskop sichtbar gemacht werden.
Dieses Oberflächenschicht-Verfahren vermittelt in aller Regel nur einen schnellen Überblick über die Verteilungen der Spannungen. Die Qualität der Ergebnisse hängt in star­ kem Maß von der Sorgfältigkeit bei der Messung ab, weshalb im wesentlichen monolithische Elemente, wie z.B. aus Be­ ton, untersucht wurden. Dabei dient dieses Verfahren meist nur zur Auffindung besonders "kritischer Bereiche", deren tatsächlichen Spannungswerte dann mittels Dehnungsmeß­ streifen genauer ermittelt werden.
Für die Darstellung von Spannungen und/oder Verformungen von einschlägigen Verbundsystemen schien aber ein span­ nungsoptisches Verfahren nicht geeignet. Erst mit der Erfindung und den angeführten verfahrenstechnischen Maß­ nahmen wird die an sich bekannte Spannungsoptik für die Untersuchung einschlägiger Verbundsysteme der Bautechnik genutzt.
Vorteilhafte Anordnungen zur Durchführung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die spannungsoptische Schicht kann danach aus einer Epoxidharzplatte bestehen und eine Aluminiumbeschichtung auf der zur Verbundsschicht weisenden Oberfläche tragen. Diese Beschichtung kann auch aus Zink oder Silizium be­ stehen.
Mit Hilfe des Klebstoffes, der ebenfalls reflektierend gefüllt ist, z.B. mit Aluminiumpulver, wodurch eine vor­ teilhafte diffus reflektierende Reflektionsschicht erzeugt wird, kann die Epoxidharzplatte fest und plan auf die Schnittfläche des Musters aufgeklebt sein.
Die spannungsoptische Schicht, die im wesentlichen aus der Epoxidharzplatte mit ihrer Beschichtung, aber auch hilfs­ weise aus dem Klebstoff gebildet wird, wird im wesentli­ chen orthogonal mit polarisiertem Licht entsprechend der bekannten Reflektionsmethoden bestrahlt.
Die spannungsoptische Schicht muß vollkommen spannungsfrei aufgeklebt sein, damit in unbelastetem Zustand keine Farb­ linien mittels des Reflexionspolariskops erkennbar werden. Dieser Zustand kann dann als Spannungsnullpunkt dienen, also zur Kalibrierung des Reflexionspolariskops.
Im verformten, also belasteten Zustand, werden Farblinien unterschiedlicher Dichte durch das Reflexionspolariskop sichtbar, die den Spannungsverlauf bzw. -abbau in dem betrachteten Verbundsystem naturgetreu wiedergeben.
Zur Auswertung dieser Farblinienbilder können optische Gesichtspunkte, das Auszählen der Linien gleicher Farbe (= Isochromaten), was die Ordnungszahl bestimmt und/oder die Errechnung des realen E-Moduls anhand der Ordnungszahl verwandt werden.
Zusammenfassend ist festzustellen, daß sich das erfin­ dungsgemäße Verfahren mit besonders großem Vorteil im Zusammenhang mit Verbundsystemen mit keramischen Belags­ schichten anwenden läßt. Dabei wird bevorzugt ein Bruch­ stück oder ein Muster dieses Verbundsystems durch die erfindungsgemäßen Verfahrensschritte so präpariert, daß dieses Bruchstück bzw. dieses Muster unmittelbar der span­ nungsoptischen Untersuchung unterzogen werden kann. Die teure Herstellung von Modellen, wie dies insbesondere in der Modellstatik der Fall ist, entfällt damit.
Die Erfindung ist nachstehend an einem Ausführungsbeispiel unter Bezugnahme auf eine Zeichnung weiter erläutert. Es zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Musters eines Verbundsystems, bestehend aus einer Unter­ schicht, einer Klebeschicht und einer Belags­ schicht, sowie einer spannungsoptischen Schicht;
Fig. 2 eine Seitenansicht eines schematischen Aufbaus der Meßanordnung mit einem Reflexionspolariskop; und
Fig. 3 eine Ansicht einer Epoxidharzplatte im Bela­ stungsfall durch ein Reflexionspolariskop mit beispielhaft eingezeichneten Isochromaten (= schwarze Linien).
Fig. 1 zeigt beispielhaft ein Muster eines Verbundsystems 1 in einer perspektivischen Darstellung. Es ist aufgebaut aus einer Unterschicht 2, z.B. Beton oder Estrich, einer darauf befindlichen Klebeschicht 3, z.B. Dünnbettmörtel, die die Unterschicht 2 mit einer Belagsschicht 4, z.B. einer Keramikfliese, verklebt. Die Hauptbelastungsrichtung dieses Verbundsystems 1 ist orthogonal zur Oberflächenebe­ ne der Belagsschicht 4 ausgebildet. Bei Begehung wirken die das Verbundsystem 1 belastenden Kräfte F entsprechend der Pfeilrichtung orthogonal auf die Oberfläche der Be­ lagsschicht 4. Eine bezüglich der Spannungen im Verbund­ system 1 interessierende Fläche ist die zum Betrachter weisende. Diese Schnittfläche 6 liegt parallel zur Haupt­ belastungsrichtung und ist plan.
Es sei erwähnt, daß Muster von Verbundsystemen ent­ sprechend 1 auch aus Beton, Haftbrücken, Grundierungen (Sperrschichten), Reparaturmörtel, Injektionsfüllmitteln oder Kombinationen mehrerer verschiedener Schichten dieser Materialien bestehen können. Auch können Materialblöcke aus einem Stück ein Verbundsystem 1 im Sinne dieser Erfin­ dung bilden und entsprechend untersucht werden.
Die Schnittfläche 6 ist mit Ausnahme ihres engsten Randbe­ reiches mit einem Klebstoff 7 bestrichen. Um insgesamt eine diffus reflektierende spannungsoptische Schicht zu erzeugen, ist dieser Klebstoff z.B. mit Aluminiumpulver als Reflektionsmaterial vermengt. Mittels dieses Kleb­ stoffes 7 ist eine etwas kleinere, aber dem Umriß der Schnittfläche 6 entsprechende, dünne Epoxidharzplatte 8 flächig und fest mit der Schnittfläche 6 verklebt, so daß die Oberflächenänderungen der Schnittfläche 6 direkt in die Epoxidharzplatte 8 übertragen werden. Die Epoxidharz­ platte 8 ist auf ihrer zum Verbundsystem 1 weisenden Flä­ che mit einer Beschichtung 9 versehen, welche als Spiegel dient. Die Beschichtung besteht erfindungsgemäß aus Alumi­ nium, Zink oder Silizium. Die Epoxidharzplatte 8 und die Beschichtung 9 bilden, mit unterstützender Wirkung des Reflektormaterials des Klebstoffes 7, die eigentliche spannungsoptische Schicht 11.
Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht eines Aufbaus der Meßan­ ordnung mit einem Reflexionspolariskop 12. Dieses ist orthogonal im Abstand zur Schnittfläche 6 angeordnet und enthält prinzipiell eine Lichtquelle 13, deren Strahl durch einen Polarisator 14 und eine sogenannte vierte Wellenplatte 16 hindurch auf die spannungsoptische Schicht 11 des Musters 1 gerichtet ist. Die Lichtquelle 13 ist derart angeordnet, daß ihr Lichtstrahl nicht exakt ortho­ gonal auftrifft, so daß das diffus reflektierte Licht orthogonal zur spannungsoptischen Schicht 11 im Auftreff­ punkt A beobachtet werden kann, bzw. mittels einer in diesen Strahlengang eingebrachten Kamera 17 abgebildet werden kann, nachdem das diffus reflektierte Licht erneut zunächst eine Viertelwellenplatte 18 und danach einen Polarisator 19 passiert hat. Dieses Reflexionspolariskop 12 kann, ohne den erfindungswesentlichen Gedanken zu ver­ lassen, durch ein beliebiges anderes ersetzt werden.
Fig. 3 zeigt eine beispielhafte Aufnahme der Epoxidharz­ platte 8 des in Fig. 1 dargestellten Verbundsystems 1, bei einer Belastung F in Pfeilrichtung. Einige Isochromaten, d.h. Linien gleicher Farbe, sind als Linien 21 darge­ stellt. Wurde die Epoxidharzplatte 8 im unbelasteten Fall des Verbundsystems 1 völlig spannungsfrei aufgeklebt und in diesem Zustand zur Kalibrierung des Reflektionspolaris­ kops benutzt, dann ist es erfindungsgemäß möglich, die Elastizität/Flexibilität von Verbundsystemen 1 objektiv, d.h. naturgetreu darzustellen, in Augenschein zu nehmen und über Berechnung aus der Isochromatenordnung den realen E-Modul zu ermitteln. In Versuchen wurden Ordnungszahlen bis zu 3,15 ermittelt, wobei dies keine Grenze des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens darstellt. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung ist darin zu sehen, daß das Spannungsverhalten bei unterschiedlichster Art und Größe der auftretenden Kräfte zu jenem Zeitpunkt darge­ stellt, lokalisiert und filmisch festgehalten werden kann. Denkbar ist auch eine vollautomatische rechnergesteuerte Auswertung dieser Aufnahmen.
  • Bezugszeichenliste:  1 Verbundsystem (= Muster)
     2 Unterschicht (= Estrich)
     3 Klebeschicht (= Dünnbettmörtel)
     4 Belagsschicht (= Keramikfliese)
     6 Schnittfläche
     7 Klebstoff (mit z. B. Alupulver)
     8 Epoxidharzplatte
     9 Beschichtung (Alu, Zn oder Si)
    11 spannungsoptische Schicht
    12 Reflexionspolariskop
    13 Lichtquelle
    14 Polarisator
    16 Viertelwellenplatte
    17 Kamera (= Beobachter)
    18 Viertelwellenplatte
    19 Polarisator
    21 Farblinien (= Isochromaten)A Auftreffpunkt
    F Kraft (= Hauptbelastungsrichtung)

Claims (11)

1. Verfahren zur Darstellung von Spannungen und/oder Verformungen von Verbundsystemen der Bautechnik, ins­ besondere aufgrund von außen aufgebrachten Kräften, dadurch gekennzeichnet, daß
  • a) die Darstellung durch eine spannungsoptische Methode erfolgt,
  • b1) hierfür auf eine zu der Hauptbelastungsrichtung parallelen, planen und zugänglichen Fläche des Verbundsystems als spannungsoptische Schicht eine Epoxidharzplatte aufgebracht wird, welche auf ihrer zum Verbundsystem gerichteten Fläche mit einer Reflexionsschicht versehen ist,
  • b2) die Epoxidharzplatte mittels eines Klebstoffes mit der Fläche des Verbundsystems flächig verklebt, und
  • c) die Spannungen und/oder Verformungen sichtbar gemacht werden.
2. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die spannungs­ optische Schicht (11) an einem Teilstück, d.h. Muster (1), eines Verbundsystems angebracht ist.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die spannungsoptische Schicht (11) an einer der Haupt­ belastungsrichtung (F) parallelen, planen Schnitt­ fläche (6) am Muster (1) angebracht ist.
4. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschich­ tung (9) der Epoxidharzplatte (8) aus Aluminium besteht.
5. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (9) der Epoxidharzplatte (8) aus Zink besteht.
6. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (9) der Epoxidharzplatte (8) aus Silizium besteht.
7. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Klebstoff (7), mit welchem die Epoxidharzplatte (8) auf der Schnittfläche (6) des Verbundsystems aufgeklebt ist, Beimengungen von Reflektormaterial enthält.
8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die spannungsoptische Schicht (11), gebildet aus der Epoxidharzplatte (8) und der Beschichtung (9), bei unbelastetem Zustand des Musters (1) völlig spannungsfrei mit dem Muster (1) verklebt ist, und daß dieser Zustand den Spannungs­ nullpunkt bildet.
9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mechanischen Bean­ spruchungen des Musters (1), d.h. seine Oberflächenän­ derungen, mittels des Klebstoffes (7) auf die span­ nungsoptische Schicht (11) übertragen wird.
10. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Klebstoff (7) zusammen mit der spannungsoptischen Schicht (11) eine diffus reflektierende Schicht bildet.
11. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Epoxidharz­ platte (8) im Verhältnis zu ihren Längen- und Breitenabmessungen dünn ausgebildet ist.
DE19873704390 1987-02-12 1987-02-12 Verfahren zur darstellung von spannungen und/oder verformungen von verbundsystemen der bautechnik und anordnung zur durchfuehrung dieses verfahrens Granted DE3704390A1 (de)

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