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Dokumentenidentifikation DE102005027759A1 22.02.2007
Titel Verfahren und Vorrichtung zur In-Situ-Bestimmung von Dehnungen an Massivbauwerken
Anmelder Hochschule Bremen, 28199 Bremen, DE
Erfinder Steffens, Klaus, Prof. Dr.-Ing., 28832 Achim, DE
Vertreter von Ahsen, Nachtwey & Kollegen Anwaltskanzlei, 28359 Bremen
DE-Anmeldedatum 15.06.2005
DE-Aktenzeichen 102005027759
Offenlegungstag 22.02.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 22.02.2007
IPC-Hauptklasse G01M 5/00(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01B 7/16(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur In-Situ-Bestimmung von Dehnungen an Massivbauwerken. Erfindungsgemäß werden zwei parallel zueinander und in Richtung der Hauptdehnung verlaufende Längsschlitze (12) in die Bauwerksoberfläche mit vorbestimmter Tiefe gefräst, so daß zwischen den Längsschlitzen (12) ein in Hauptdehnungsrichtung verlaufender Steg (15) verbleibt, vorher oder anschließend ein Wegaufnehmer (Meßmarken 13) oder ein Dehnungsmeßstreifen auf dem Steg (15) angebracht, sodann in Hauptdehnungsrichtung gesehen vor und hinter dem Wegaufnehmer je ein quer zur Hauptdehnungsrichtung verlaufender Querschlitz (14) gefräst und die Dehnung des Steges (15) gemessen wird.
Aus der Hauptdehnung läßt sich die Hauptspannung berechnen. Sie dient zur weiteren Tragsicherheitsbewertung des Bauwerks.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur In-situ-Bestimmung von Dehnungen an Massivbauwerken. Des weiteren betrifft die Erfindung eine Vorrichtung mit zwei Hebeln, welche durch eine Stange miteinander verbunden und die mittels eines Druckmittelzylinders verschwenkbar sind.

Wird ein Massivbauwerk, wie beispielsweise eine Brücke, neu geplant und erstellt, wird es regelmäßig für spezielle Anforderungen, konkret für eine bestimmte Nutzlast ausgelegt. Infolge einer stärker als zunächst angenommenen Verkehrsbelastung und/oder umweltbedingter Schäden und/oder Setzungen an den Fundamenten sinkt die mögliche Nutzlast aufgrund abnehmender Tragsicherheit. Um Abriß und Neubau oder Ertüchtigung des Bauwerks zu vermeiden und damit Ressourcen zu schonen, ist es erforderlich, die Tragsicherheit wirklichkeitsnah zu überprüfen.

Aus der DE 199 25 269 A1 ist ein Testfahrzeug bekannt geworden, mit dem eine Tragsicherheitsbewertung von Bauwerken, wie z. B. Brücken, durchgeführt werden kann. Dabei wird die Brücke schädigungsfrei bis an die gewünschte Ziellast belastet.

Daneben gibt es rechnergestützte Tragsicherheitsbewertungen. Diese setzen voraus, daß neben der Geometrie, Lagerung und Belastung alle wesentlichen Werkstoffeigenschaften einschließlich des Baugrundes, vorhandene Schäden oder Risse sowie die im Bauwerk vorhandenen Eigenspannungen ("eingefrorener" Spannungszustand) aufgrund Eigengewicht, Setzungen am Baugrund, Materialkriechens, Bauzuständen, Umbauten und/oder Kriegsschäden bekannt sind. Daneben ist es erforderlich, das Tragverhalten wirklichkeitsnah mathematisch zu beschreiben. Dieses zeigt, daß mathematische Methoden aufgrund vielfältiger Unbekannter notwendigerweise sehr konservativ angewendet werden müssen. Aus diesem Grund sind Sicherheitszuschläge notwendig, die bei experimentellen Methoden ohne Sicherheitseinbußen vermindert werden dürfen. Dieses führt dazu, daß vorhandene Bauwerke oft negativ bewertet werden, obwohl sie noch mit einer ausreichend hohen Nutzlast weiterbetrieben werden könnten. Den größten Unsicherheitsfaktor stellen dabei die im Bauwerk vorhandenen Dehnungen respektive Spannungen aus Eigengewicht und Fundamentsetzungen dar.

Der Erfindung liegt das Problem zugrunde, die Hauptdehnung für die Tragsicherheitsbewertungen von Bauwerken experimentell sicher zu ermitteln.

Zur Lösung dieses Problems werden nach dem erfindungsgemäßen Verfahren die Hauptdehnung an Massivbauten in-situ bestimmt, indem zwei parallel zueinander und in Richtung der Hauptdehnung verlaufende Längsschlitze in die Bauwerksoberfläche mit vorbestimmter Tiefe gefräst werden, so daß zwischen den Längsschlitzen ein in Hauptdehnungsrichtung verlaufender Steg verbleibt, vorher oder anschließend Wegaufnehmer oder Dehnungsmeßsteifen auf dem Steg angebracht werden, sodann in Hauptdehnungsrichtung gesehen vor und hinter dem Wegaufnehmer oder Dehnungsmeßstreifen je ein quer zur Hauptdehnungsrichtung verlaufender Schlitz gefräst und die Dehnung des Steges gemessen wird.

Die Hauptdehnung wird demnach direkt am vorhandenen Bauwerk bestimmt. Alle inneren und äußeren Einflüsse auf das Bauerwerk sind dadurch berücksichtig. Sicherheitszuschläge können dadurch vermindert werden. Ein ggf. noch vorhandener Einfluß der verbleibenden rückseitigen Verbindung des Steges mit dem übrigen Bauwerk (Bauwerkskörper) wird durch einen Korrekturfaktor berücksichtigt.

Die Hauptrichtung, in denen die Hauptdehnung und damit die Hauptspannung in einem Bauwerk verlauft, ist in der Regel bekannt. Die Hauptrichtung ist dabei die Richtung, die für die Tragsicherheitsbewertung maßgebend ist. Hauptdehnung und Hauptspannung sind demnach die für die Tragsicherheitsbewertung maßgebliche Dehnung bzw. Spannung. Über den Elastizitätsmodul läßt sich die Hauptspannung aus der Hauptdehnung errechnen, wobei mit Dehnung jede Längenänderung (Stauchung oder Dehnung) gemeint ist.

Bei Mauerwerk werden die Querschlitze vorzugsweise in Fugen zwischen benachbarten Steinen gefräst. Auf diese Weise wird das Bauwerk geringstmöglich geschädigt. Durch Verfugen der Querschlitze nach dem experimentellen Ermitteln der Hauptdehnung wird die Tragfähigkeit des Massivbauwerks, welche es vor der Ermittlung gehabt hatte, wiederhergestellt.

Um bei Massivbauten auch den Fugeneinfluß mit zu erfassen, werden die Querschlitze soweit voneinander beabstandet gefräst, daß zwischen ihnen wenigstens eine Fuge liegt. Da die Fugen untereinander nicht homogen sind, ist eine möglichst große Anzahl von Fugen und damit von Schichten vorteilhaft. Mit dem Abstand der Querschlitze voneinander und damit der erfaßten Schichten steigt aber auch die notwendige Schnittiefe. Die Anzahl der erfaßten Schichten zur möglichen Schnittiefe ist zu optimieren.

Nachdem die Wegaufnehmer bzw. Dehnungsmeßstreifen angebracht sind, kann das Bauwerk vor dem Fräsen der Querschlitze mit externen Testlasten belastet werden. Die sich dabei ergebenden Dehnungen werden gemessen und ergeben so weitere wichtige Daten für die mathematische oder experimentelle Tragsicherheitsbewertung.

Eine weitere wichtige Größe für die Tragsicherheitsbewertung ist der Elastizitätsmodul. Soweit der Elastizitätsmodul nicht bereits bekannt ist, kann er nach einem auch unabhängig denkbaren Gedanken der Erfindung dadurch ermittelt werden, daß im Bereich der Querschlitze Druckkräfte auf den Steg eingebracht werden. Dieses geschieht vorzugsweise mit einer Vorrichtung der eingangs genannten Art, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß die Stange und/oder eine der Kolbenstangen des Druckmittelzylinders mit Dehnungsmeßstreifen versehen ist. Mit der Vorrichtung wird geregelt Last auf den Steg aufgebracht. Die sich dabei ergebende Dehnung der Stange wird mittels des Dehnungsmeßstreifens bestimmt. Die Dehnung der Stange ist proportional zur der in den Steg eingebrachten Last. Die sich ergebende Dehnung (Stauchung) des Steges wird gemessen und dient zur Ermittlung des Elastizitätsmoduls des Bauwerksmaterials. Vorzugsweise werden die Druckkräfte mehrfach auf den Steg aufgebracht. Dieses erhöht die statische Sicherheit bei der Ermittlung des Elastizitätsmoduls.

Auch die Bruchfestigkeit läßt sich nach einem weiteren, auch unabhängig denkbaren Gedanken der Erfindung auf einfache Weise ermitteln. Zu diesem Zweck wird die Druckkraft auf den Steg fortlaufend gesteigert und dabei die Dehnung des Steges fortlaufend gemessen. Es wird also eine Kraft-Verformungskurve ermittelt. Die Druckkraft kann dabei bis nahe an die Bruchfestigkeit gesteigert werden. Das Erreichen der Bruchfestigkeit ist nämlich aus der Kraft-Verfolgungskurve erkennbar.

Um das Bauwerk wiederherzustellen, werden nach Durchführung der obengenannten Verfahrensschritte die Längsschlitze und Querschlitze wieder verfüllt (verfugt).

Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

1 ein aus Ziegeln gemauertes Bauwerk, welches zur Durchführung des Verfahrens mit den Erfindungsmerkmalen vorbereitet ist,

2 das Bauwerk gemäß 1 mit einer Vorrichtung zu Durchführung eines Druckversuches.

1 zeigt einen Teil eines Bauwerks, welches aus Ziegeln 10 gemauert ist. Die Ziegel 10 sind durch Mörtelfugen 11 verbunden

In das Bauwerk werden zwei parallel zueinander angeordnete und voneinander beabstandete Längsschlitze 12 gefräst. Die Längsschlitze 12 verlaufen in Hauptdehnungsrichtung und damit in der Richtung der zu erwartenden maßgeblichen Eigenspannung (Hauptspannung). In dem Bereich zwischen den Längsschlitzen 12 wird ein Wegaufnehmer auf das Bauwerk aufgebracht. 1 zeigt die beiden Meßmarken 13 des Wegaufnehmers. Die Meßmarken 13 liegen in Hauptdehnungsrichtung hintereinander.

Alternativ ist es auch möglich, zunächst den Wegaufnehmer anzubringen und dann die Längsschlitze 12 zu fräsen.

Die Meßmarken 13 des Wegaufnehmers sind so weit voneinander beabstandet, daß sie zwei Fugen 11 überspannen. Auf diese Weise liegt ein vollständiger Ziegel 10 mit seinen zwei benachbarten Fugen 11 im Meßbereich.

Der Abstand I0 zwischen den Meßmarken 13 wird gemessen. Dabei wirken die im Bauwerk vorhandenen Eigenspannungen noch auf den Bereich zwischen den Längsschlitzen 12. In Hauptdehnungsrichtung gesehen werden nun vor und hinter den Meßmarken 13, also vor und hinter dem Wegaufnehmer, je ein Querschlitz 14 gefräst. Die Querschlitze 14 liegen dabei in den Fugen 11. Jeder Querschlitz 14 kreuzt beide Längsschlitze 12. Es entsteht ein durch die Längsschlitze 12 und Querschlitze 14 begrenzter Steg 15. Die Tiefe der Querschlitze 14 ist so zu bemessen, daß der Steg 15 an seiner Oberfläche zumindest weitgehend frei von Eigenspannungen ist. Dieses wird konkret wie folgt sichergestellt:

Zunächst wird einer der beiden Querschlitze 14 gefräst. Während dessen wird mittels des Wegaufnehmers fortlaufend die Dehnung des Steges 15 gemessen. Dehnt sich der Steg 15 nicht mehr (Sattel in der Verformungskurve), ist der erste Querschlitz 14 tief genug. Nun wird der andere Querschlitz 14 gefräst. Der Steg 15 beginnt sich weiter zu dehnen und diese Dehnung wird ebenfalls mittels des Wegaufnehmers fortlaufend gemessen. Der andere Querschlitz 14 ist tief genug, wenn die Dehnung der Oberfläche des Steges 15 zum Erliegen kommt. Die Oberfläche des Steges 15 ist nun spannungsfrei. Der Abstand I1 zwischen den Meßmarken 13 bei spannungsfreier Oberfläche liegt nun vor und daraus wird die Stauchung oder Dehnung &egr; = &Dgr;I/I0 (mit &Dgr;I = I1 – I0) ermittelt. Wird der Abstand zwischen den Meßmarken 13 nach dem Fräsen der Querschlitze 14 kürzer (war der Steg 15 also gestaucht) waren Zugspannungen vorhandenen; wird der Abstand zwischen den Meßmarken 13 größer (war der Steg 15 also gedehnt) lagen Druckspannungen vor. Aus Gründen der Vereinfachung wird im Rahmen dieser Anmeldung für Stauchung oder Dehnung einheitlich nur von Dehnung gesprochen.

Über den Elastizitätsmodul E lassen sich nun die Spannungen &sgr;0 berechnen mit: &sgr;0 = E·&egr;.

Ist der Elastizitätsmodul E für das Baumaterial nicht bekannt, kann er an einem Vergleichsmodell aus dem Baumaterial ermittelt werden. Da der Elastizitätsmodul E sich aber aufgrund des Herstellungsprozesses, von Alterungsprozessen oder dergleichen verändern kann, wird er vorzugsweise an dem Bauwerk selbst bestimmt. Dieses geschieht mit dem in 2 gezeigten Aufbau:

Von den stirnseitig an dem Steg 15 liegenden Ziegeln 10 wird der Bereich zwischen den Längsschlitzen 12, wie in 2 erkennbar, herausgebrochen. Nun können mit einer Druckvorrichtung 16 Druckkräfte auf den Steg 15 ausgeübt werden. Die Druckvorrichtung 16 weist zu diesem Zweck zwei Hebel 17 auf, welche an ihrem freien Ende Druckplatten 18 aufweisen. Die Druckplatten 18 sind über Gelenke 19 mit den Hebeln 17 verbunden und an ihren dem Steg 15 zugewandten Flächen mit einer den Druck gleichmäßig verteilenden Zwischenlage 22, beispielsweise einer Gummiplatte, versehen. Etwa in ihrer Mitte sind die Hebel 17 über eine Zugstange 20 miteinander verbunden, an welcher die Hebel 17 gelenkig angebracht sind. An ihren den Druckplatten 18 gegenüber liegenden Enden können die Hebel 17 mittels eines Druckmittelzylinders 21 gespreizt und so über die Hebelwirkung Druck auf den Steg 15 ausgeübt werden. Dieser Druck wird mittels eines Dehnungsmeßstreifens 23 auf der Zugstange 20 ermittelt. Durch den Druck wird nämlich eine Zugkraft auf die Zugstange 20 ausgeübt, welche über die Querschnittsgeometrie der Zugstange und deren Elastizitätsmodul proportional zur Dehnung der Zugstange ist. Über die Hebelverhältnisse an den Hebeln 17 und die Geometrie der Druckplatten 18 ist damit auch der auf den Steg 15 ausgeübte Druck bekannt.

Alternativ können Druckmittelzylinder 21 und Zugstange 20 vertauscht werden, so daß der Druckmittelzylinder 21 zwischen der Zugstange 20 und dem Mauerwerk liegt. In diesem Fall zieht der Druckmittelzylinder 21 die Hebel 17 zusammen und auf die Zugstange 20 werden Druckkräfte ausgeübt. Ferner ist es auch möglich, die Dehnungsmeßstreifen 23 einer der Kolbenstangen 24 des Druckmittelzylinders 21 zuzuordnen.

Aus dem sich bei bekanntem Druck auf den Steg 15 und damit in den Steg eingeleitete Spannung &sgr; ergebenden Dehnung &egr;, die hier konkret eine Stauchung ist, läßt sich der Elastizitätsmodul E berechnen zu E = &sgr;/&egr;.

Um den Elastizitätsmodul sicher zu bestimmen, wird der Druckversuch mehrfach wiederholt und aus den so ermittelten Werten ein mittlerer Elastizitätsmodul Em berechnet.

Um auch die Bruchfestigkeit des Baumaterials zu ermitteln, wird der auf den Steg 15 ausgeübte Druck fortlaufend erhöht und dabei die sich ergebende Dehnung gemessen. Es wird so eine fortlaufende Kraft-Verformungskurve aufgezeichnet. Aus deren Verlauf erkennt der Fachmann, wann der Steg 15 kurz vor dem Versagen steht und kann den Steg rechtzeitig entlasten, bevor er versagt. Die dabei maximal aufgebrachte Druckspannung liegt noch unterhalb der Bruchfestigkeit und ergibt damit eine untere Schranke für die Tragsicherheitsbewertung.

Gegebenenfalls kann der vorstehend beschriebene Druckversuch auch bis zum Versagen des Steges 15 (erreichen der Bruchfestigkeit) fortgesetzt werden. Die dabei beschädigten Ziegel 10 werden dann durch neue Ziegel ersetzt.

Sind alle benötigten Werte ermittelt, wird die Druckvorrichtung 16 abgebaut. Die herausgebrochenen Ziegelteile werden wieder eingeklebt und die Längsschlitze 12 und Querschlitze 14 mit Fugenmörtel verfüllt. Das Bauwerk hat wieder die optischen Eigenschaften und Trageigenschaften wie vor dem Versuch.

10
Ziegel
11
Fuge
12
Längsschlitz
13
Meßpunkt
14
Querschlitz
15
Steg
16
Druckvorrichtung
17
Hebel
18
Druckplatte
19
Gelenk
20
Zugstange
21
Druckmittelzylinder
22
Zwischenlage
23
Dehnungsmeßstreifen
I0
Abstand im unbelasteten Zustand
I1
Abstand im belasteten Zustand (unter Eigenspannungen)
&Dgr;I
Längenänderung I1 – I0
&egr;
Dehnung/Stauchung &Dgr;I/I0
&sgr;
Spannung
E
Elastizitätsmodul


Anspruch[de]
Verfahren zur In-Situ-Bestimmung von Dehnungen an Massivbauwerken, indem zwei parallel zueinander und in Richtung der Hauptdehnung verlaufende Längsschlitze (12) in die Bauwerksoberfläche mit vorbestimmter Tiefe gefräst werden, so daß zwischen den Längsschlitzen (12) ein in Hauptdehnungsrichtung verlaufender Steg (15) verbleibt, vorher oder anschießend ein Wegaufnehmer (Meßmarken 13) oder ein Dehnungsmeßstreifen auf dem Steg (15) angebracht, sodann in Hauptdehnungsrichtung gesehen vor und hinter dem Wegaufnehmer je ein quer zur Hauptdehnungsrichtung verlaufender Querschlitz (14) gefräst und die Dehnung des Steges (15) gemessen wird. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschlitze (15) in Fugen (11) zwischen benachbarten Steinen (10) gefräst werden. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschlitze (15) soweit voneinander beabstandet sind, daß zwischen ihnen wenigstens eine, insbesondere zwei, Fugen (11) liegen. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß vor dem Fräsen der Querschlitze (14) das Bauwerk mit externen Testlasten belastet und die sich dabei ergebenden Dehnungen gemessen werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Querschlitze (14) Druckkräfte auf den Steg eingebracht werden, die sich dabei ergebende Dehnung gemessen und daraus der Elastizitätsmodul des Bauwerksmaterials bestimmt wird. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkräfte zur Bestimmung des Elastizitätsmoduls mehrfach aufgebracht werden. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckkraft unter fortlaufender Messung der Dehnung und der Druckkraft (Kraft-Verformungskurve) bis maximal zur Bruchfestigkeit des Steges gesteigert wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsschlitze (12) und Querschlitze (14) schließlich verfüllt (verfugt) werden. Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 4 bis 7, mit zwei Hebeln (17), welche durch eine Stange (20) miteinander verbunden und die mittels eines Druckmittelzylinders (21) verschenkbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Stange (20) und/oder eine der Kolbenstangen (24) des Druckmittelzylinders (21) mit Dehnungsmeßstreifen (23) versehen ist.






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