Mehraxiale in situ Spannungsmessung in Bauwerken und im Gebirge Akusto-elastische Spannungsmessung Ingenieurbüro Jäger Frank-Michael Jäger Messen in der.

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1 Mehraxiale in situ Spannungsmessung in Bauwerken und im Gebirge Akusto-elastische Spannungsmessung Ingenieurbüro Jäger Frank-Michael Jäger Messen in der Geotechnik 2010

2 Ingenieurbüro Jäger Messen in der Geotechnik 2010 2 Bekannte Lösungen Bekannte Lösungen zur Spannungsmessung

3 Ingenieurbüro Jäger Messen in der Geotechnik 2010 3 Neue Lösung: akusto-elastische Spannungsmessung Der Elastizitätsmodul ist für Dehnung und Stauchung gleich Die Flächenpressung wird als Druckspannung in den Körper übertragen Zwei wesentliche Auswirkungen bei Einwirkung einer Kraft, d.h. Zunahme der Druckspannung: Spannungs-Dehnungsdiagramm 1.Die Höhe (Messweg) wird kleiner 2. Die Schallgeschwindigkeit wird nach dem akusto-elastischen Effekt größer Wirkung: Laufzeit kleiner

4 Ingenieurbüro Jäger Messen in der Geotechnik 2010 4 Akusto-elastischer Effekt (Abhängigkeit der Ultraschallgeschwindigkeit von der Spannung, Granit) Gestein: anisotrop inhomogen Wirkung: Geschwindigkeit und Laufzeit nicht vergleichbar

5 Ingenieurbüro Jäger Messen in der Geotechnik 2010 5 Akusto-elastischer Effekt (Abhängigkeit der Ultraschallgeschwindigkeit von der Normal- Spannung, Sandstein) Wirkung: Geschwindigkeit und Laufzeit nicht vergleichbar Gesteinsspezifisch: Porosität Wassergehalt

6 Ingenieurbüro Jäger Messen in der Geotechnik 2010 6 Akusto-elastischer Effekt (Messung der Laufzeit im isotropen und homogenen Messkörper) 50 MPa Druckspannung in Richtung longitudinale Welle ⇒ Laufzeitabnahme 7,3 ‰ für Aluminium ergibt die elastische Stauchung ⇒ Laufzeitabnahme 0,71 ‰ Akusto- elastischer Effekt Elastische Stauchung

7 Ingenieurbüro Jäger Messen in der Geotechnik 2010 7 Akusto-thermischer Effekt (Messung der Laufzeit im isotropen und homogenen Messkörper) 50°K ⇒ Laufzeitzunahme 10,6 ‰ für Aluminium ergibt die thermische Ausdehnung ⇒ Laufzeitzunahme 1,15 ‰ Akusto- thermischer Effekt thermische Dehnung

8 Ingenieurbüro Jäger Messen in der Geotechnik 2010 8 Vergleich beider Effekte (Messung der Laufzeit im isotropen und homogenen Messkörper) 5 ‰ Laufzeitänderung ⇒ durch 34 MPa Spannungsänderung 5 ‰ Laufzeitänderung ⇒ durch 26 °K Temperaturänderung Akusto-elastischer Effekt Akusto-thermischer Effekt

9 Ingenieurbüro Jäger Messen in der Geotechnik 2010 9 Abhängigkeit der Ultraschalllaufzeit in Al von der einwirkenden Kraft

10 Ingenieurbüro Jäger Messen in der Geotechnik 2010 10 Abhängigkeit der Geschwindigkeit der Longitudinalwelle in Al von der Spannung Messeffekt klein ‰ Bereich Für TDC kein Problem

11 Ingenieurbüro Jäger Messen in der Geotechnik 2010 11 Prinzip eines Lagers mit akusto-elastischer Lastmessung Lagerplatte PVDF-Folie Bauwerk Elektronik Elastomer Messkörper

12 Ingenieurbüro Jäger Messen in der Geotechnik 2010 12 Prinzip eines Ankers mit akusto-elastischer Zugmessung Der Messkörper ist unter der Ankerplatte angeordnet

13 Ingenieurbüro Jäger Messen in der Geotechnik 2010 13 Spannungsgeber mit PVDF-Folie und TDC zur akusto-elastischen Spannungsmessung

14 Ingenieurbüro Jäger Messen in der Geotechnik 2010 14 Prinzip einer Bohrlochsonde zur akusto-elastischen Spannungsmessung -1 Sonde -2 Gebirge -3 Spannungsrichtung -6 Elektronikeinheit -8 Ultraschallweg -13 Messkörper, Metall -14 Ultraschallsensoren

15 Ingenieurbüro Jäger Messen in der Geotechnik 2010 15 Aufbau einer 2-achsialen Bohrlochsonde

16 Ingenieurbüro Jäger Messen in der Geotechnik 2010 16 Messung der Laufzeit mit TDC Verfügbarkeit: 2 Hersteller in DE (acam, msc) Kosten: 5-7 €/Stk (TDC-GP02) Auflösung: ca. 50 ps / Messung Für Laufzeitmessung bestens geeignet Applikation mit Ultraschallsensoren: Stand der Technik Niedrige Gesamtkosten des Systems: Materialkosten 25 – 50 € TDC H8-Proz

17 Ingenieurbüro Jäger Messen in der Geotechnik 2010 17 Realisierung der Messaufnehmer 2-axialer Spannungsgeber f. Betoneinschluss Spannungsgeber nach Druckversuch bis zur Zerstörung des Betonprüfkörpers Messkörper mit Kantenlänge von 25 mm mit 2 um 90° versetzt angeordnete PVDF-Folien

18 Ingenieurbüro Jäger Messen in der Geotechnik 2010 18 Thermische Anhängigkeit der Laufzeit Korrekturfaktur K T Laufzeitkorrektur  L _________ Laufzeit L ________ mittl. Temperatur T _________ Abweichung der Laufzeit von der Bezugslaufzeit  L K Data Aquisitions System DASYLab von National Instruments

19 Ingenieurbüro Jäger Messen in der Geotechnik 2010 19 Kompensation des Temperatureinflusses Erwärmung des Messkörpers von 20°C auf 32°C. Zunahme der Laufzeit L um  L = 20 ns. Messbare Abweichung der kompensierten Laufzeit  L K kleiner 100 ps. Laufzeit L in ns Temperatur T in°C Abweichung  L K in ns Erwärmung des Messkörpers

20 Ingenieurbüro Jäger Messen in der Geotechnik 2010 20 Abschätzung der erreichbaren Messauflösung für Stahl: c L = 5900 m/s Stahlplatte Dicke 25 mm: 50 mm Schallweg Benötigte Laufzeit bei 0 MPa: L = 8,474576 x10 -6 s Benötigte Laufzeit bei 1 MPa: L = 8,474462 x10 -6 s (mit 8x10 -2 ms -1 MPa -1 ): 114 ps Laufzeitunterschied Auflösung TDC: 50 ps ergibt eine Auflösung kleiner 0,5 MPa / Messung Bei 1000...10.000 Messungen / s und Mittelung ist die Auflösung besser 0,05 MPa Temperaturmessung im TDC integriert: +/- 0,002°C Auflösung Temperaturkoeffizient der longitudinalen Schallgeschwindigkeit: 12,2x10 -5 °K [Splitt, 2002] Analog zu Aluminium: 1MPa entspricht 1°C +/- 0,002 Mpa

21 Ingenieurbüro Jäger Messen in der Geotechnik 2010 21 Versuchsaufbau Abhängigkeit der Laufzeit von der Spannung Hydraulik Messkörper PVDF-Folie Kraftmessung 24 Bit Temperaturfühler Pt 1000 TDC 501 Start Stop

22 Ingenieurbüro Jäger Messen in der Geotechnik 2010 22 Funktionale Abhängigkeit der Laufzeit in einem 25 mm Messkörper   = 10 Mpa ergibt  L = 7600 ps Eine Einzelmessung erreicht eine Auflösung von 50 ps. 50 ps entsprechen 64 kPa. Die minimale Pause zwischen 2 Messungen kann 50 bis 100 µs betragen. Maximal 10.000 bis 20.000 Messwerte / Sekunde. Die Standardabweichung der Messung kann problemlos besser 1 ps sein.

23 Ingenieurbüro Jäger Messen in der Geotechnik 2010 23 Zyklischer Lastwechsel von 0 auf 2 MPa und sein Einfluss auf die Laufzeit (Al 25 mm) Laufzeit L T1 in ns Mittelwert der Laufzeit L T1 in ns Gemessene Spannung  in MPa  =( L T1 - L T0 ) / K  mit L T0 = L T * K T L T bei  = 0 MPa K T = f ( T ), K T = 1,4201 K  = - 0,624 *10 -9 s * MPa -1

24 Ingenieurbüro Jäger Messen in der Geotechnik 2010 24 Schrittweise Erhöhung der Lastwechsel von 2,5 MPa auf 25 MPa - Einfluss auf die Laufzeit (Al 25 mm) Kompromiss: Mess- geschwindigkeit Eval-Board H8-Proz. ⇔ PC: 9600 Baud Datendurchsatz: 4 Messungen / Sekunde Ultraschall ⇔ PVDF-Folie: 1000 Messungen / Sekunde Mittelwertbildung: 1 Sekunde ⇒ 4 Minuten Möglicher Messtakt: 1000...10.000 (20.000) M / s Erfassung von Stosswellen

25 Ingenieurbüro Jäger Messen in der Geotechnik 2010 25 Beherrschung des Temperatureinflusses für unterschiedliche Anwendungsfelder BauwerksmonitoringBohrlochsondeMessankerTunnelBrückenlager ↓ 1° K ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ Temperaturschwankung ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ ⇒ 100°K Pt 1000 / TDC Digital 12...14 Bit Referenzkörper ohne Spannung Referenzmessung 90° mit Berück- sichtigung der Querdehnungszahl

26 Ingenieurbüro Jäger Messen in der Geotechnik 2010 26 Anwendungsfelder der on line Spannungs-u. Lastmessung und Ausblick Bauwerksmonitoring Brückenlager mit Lastmessung Messung des Lasteintrages in Fundamente und Pfähle Messung von Ankerkräften Messung der Stoßbelastung im Bauwerkskörper Spannungsmessung beim Tunnel-und Bergbau (Messung von Spannungsumlagerungen) Spannungsmessung von Versatzbauen und Endlagern Langzeitmesssysteme Schadenslokalisierung an Bauwerken in seismisch aktiven Gebieten Erfassung von Antwortfunktionen (low cost Array Seismometer)

27 Ingenieurbüro Jäger Messen in der Geotechnik 2010 27 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit