© Springer Basel AG 1978 Ursprünglich erschienen bei Birkhäuser Verlag Basel und Stuttgart 1978 ISBN 978-3-7643-1076-9 ISBN 978-3-0348-5289-0 (eBook) DOI 10.1007/978-3-0348-5289-0 Neuartige Belastungs- und Messeinrichtungen für Schwingungsversuche an armierten und vorgespannten Betonprüfkörpern Von Markus Baumann. Rudolf Dieterle und Hugo Bachmann. Zürich Am Institut für Baustatik und Konstruktion (!BK) der Vorerst wurden verschiedene in Hochschulinstituten, ETH Zürich werden im Rahmen eines Forschungsprogram Prüfanstalten und Industrie vorhandene Schwingungserreger mes systematische Schwingungsversuche an schlaff armierten auf ihre Tauglichkeit geprüft: und vorgespannten Balken aus Leichtbeton und Beton durch - Bei den klassischen Unwuchtschwingern kann die Variation geführt. Ziel der Untersuchungen ist insbesondere, den Ein der Errgerkraft bei gleichbleibender Erregerfrequenz nur fluss der Betonart, der Rissebildung und des nichtlinearen Ver durch eine Verschiebung der Schwingmasse auf dem haltens sowie des Vorspanngrades auf die dynamischen Kenn Schwungrad erreicht werden. Diese mechanische Einstel grössen Dämpfung, Amplitude und Eigenfrequenz abzuklären. lung ist umständlich und ungenau. Im übrigen führt eine Dabei werden Beanspruchungen der Stahleinlagen bis zur Änderung der Erregerfrequenz stets zwingend zu einer Fliessgrenze erzeugt. Änderung der Erregerkraft (1. Anforderung nicht erfüllt). Für diese Versuche mussten neuartige Belastungs- und - Elektrodynamische Schwingungserreger erlauben nur kleine Messeinrichtungen entwickelt werden. Im Gegensatz zu den Amplituden der Schwingmasse. Sie erzeugen bei den an bisher gebräuchlichen Unwuchterregern erlaubt ein elektro gestrebten Erregerfrequenzen zu kleine Erregerkräfte nisch gesteuerter servohydraulischer Schwingungserreger in (2. Anforderung nicht erfüllt). einem weiten, bau dynamisch interessanten Frequenzbereich - Ein in der Industrie verwendeter servohydraulischer innerhalb bestimmter Grenzen beliebige Kräfte auf einen Schwingungserreger weist mangels Veränderbarkeit der Prüfkörper auszuüben. Dabei sind nebst sinusförmiger Be Schwingmasse ein zu geringes Kraft-Frequenz-Leistungs lastung auch andere Zeitfunktionen möglich. Zur Registrie spektrum auf (2. Anforderung nicht erfüllt). rung von Stahl- und Betondehnungen dienen speziell ent Da in den neuen Forschungsanlagen der Abteilung für wickelte Messgrössenaufnehmer, die sowohl die Aufzeichnun Bauingenieurwesen an der ETH-Hönggerberg eine leistungs gen des ganzen zeitlichen Ablaufs als auch von Spitzenwerten fähige öl hydraulische Pumpenanlage zur Verfügung steht, allein ermöglichen. wurde beschlossen, einen servohydraulischen Schwingungs Im folgenden werden der Schwingungserreger und die erreger mit dem gewünschten Leistungsspektrum selbst zu Messgrössenaufnehmer beschrieben. Anschliessend werden an entwickeln. einem Beispiel erste Erfahrungen und Ergebnisse von Ver Funktionsprinzip suchen an einem 8 m langen Leichtbetonbalken dargestellt: Bild 1 zeigt den Schwingungserreger des IBK. Das Prinzip ist einfach: In einem Rahmen wird mittels eines Servohydraulischer Schwingungserreger hydraulischen Zylinders eine Schwingmasse hin und her An den Schwingungserreger waren folgende Anforderun bewegt. gen zu stellen: Die Ölzufuhr zum Zylinder wird durch ein elektronisch I. Unabhängige Steuerung von Erregerkraft und Erreger gesteuertes Servoventil derart geregelt, dass sich die Masse, frequenz. die mit der Kolbenstange verbunden ist, entsprechend bewegt. 2. Stufenlose Einstellung der Erregerkraft zwischen 10 Die nötige Öl menge fördert ein Pumpenaggregat. Der Schwin und 10000 N und der Erregerfrequenz zwischen 1 und 25 Hz gungserreger wird mit dem Prüfkörper fest verbunden. Die (Leistungsspektrum). auf den Prüfkörper ausgeübten dynamischen Kräfte ent 3. Geringe Eigenrnasse. sprechen im wesentlichen den durch die Hin- und Herbewe 4. Keine Behinderung der Schwingungen des Prüfkör gung der Schwingmasse m entstehenden Trägheitskräften x pers, d.h. keine Abstützung gegen einen ruhenden Rahmen. m . (x = Weg der Masse = Kolbenweg). Bild I. Servohydraulischer Schwingungserreger Bild 2. Schema der Steuerung (Regelkreis) ~-KOLBEJW ISTWERTE 1r= EGMESSER (ISTWEIR T GEBER) ~ SERVOVENTIL VERSTAERKER '- I-- ANALOGREGLER KOLBENWEG ~ ~r-HYDR. ZY LlNDER '-- KVREARFSTT AERKER f-- ~~l VERSTAERKER _________ (RESERVE) I-- V o m KRAFTME SSER ~ (ISTWERT GEBER) SOLLWERT DIGITALVOLTMETER r-- I------; GRENZWERTDETEKTOR f-- FUNKTIONSGENERATOR -11- SC HWINGMASSE J" - ~ LASTWECHSE LZAEH LER ®=? ~ I--- KATHODENSTRAHL PUMPE / ~ OSCILLOSCOP I - t-OELRESERVOIR ....... / ..... Der hydraulische Zylinder arbeitet mit einem System // .......... "'y Theoretisch druck zwischen 0 und 280 bar. Infolge der Haft- und Gleit ,/ 'I reibung im Zylinder eignet sich dieser nur für Frequenzen bis z \ zu 25 Hz. Der Kolbenhub beträgt maximal 10 cm. ~3000 Das Servoventil mit einer maximalen Leistung von ..... o 57 I/min regelt den Ölfluss in die Zylinderkammern. Es ist ;,~,: direkt beim hydraulischen Zylinder angeordnet. Dadurch 2000 werden sekundäre Einflüsse, wie sie z.B. aus Querschnittsände rungen der Rohrleitungen durch die rasch wechselnden Drücke entstehen, weitgehend vermieden. 1000 Das Pumpenaggregat zum Betrieb des Schwingungserre gers fördert bei einem Betriebsdruck von 280 bar eine Ölmen ge von 10, 40 oder 50 I/min. 2 4 5 6 8 10 12 14 16 18 20 25 Frequenz (Hz) Elektronische Steuerung und Überwachung Bild 3. Kraft-Frequenz-Grenzkurve des Schwingungserregers für eine Die Steuerung des Schwingungserregers (Bild 2) erfolgt Masse von 104 kg über das Servoventil als Bindeglied zwischen Elektronik und Hydraulik derart, dass Amplitude und Frequenz der Kolben bewegung den bestimmten gewünschten Grössen entsprechen. Das erforderliche Steuersignal wird im elektronischen Analog-Regler aus der Differenz zwischen Ist- und Sollwert ermittelt. Der Istwert (oder Messwert) lässt sich mit dem Kolbenwegmesser oder mit dem Kraftmesser erfassen. Als Sollwertgeber dient ein Funktionsgenerator. Der Kolbenwegmesser besteht aus einem induktiven Weg aufnehmer, der in der hohlen Kolbenstange untergebracht ist. Er erzeugt - entsprechend dem Standort der Schwingmasse - ein Spannungssignal. Der Kraftmesser zwischen Kolbenstange und Schwing masse ist ein speziell entwickeltes ringförmiges Element. Die Biegedehnungen der bei den Schenkel werden mit Dehnungs messstreifen in Vollbrückenschaltung erfasst. Die Kraft ent spricht dem erzeugten Spannungssignal und ist - abgesehen von vernachlässigbar kleinen elastischen Kräften und Dämp Bild 4. Dreigelenk-Dehnungsmessrahmen fungskräften - gleich der vom Schwingungserreger auf den Prüf körper ausgeübten dynamischen Kraft. o Der Funktionsgenerator hat die Aufgabe, ein Spannungs signal entsprechend dem Sollwert zu erzeugen. r b r Der Analogregler vergleicht den Ist- mit dem Sollwert und liefert einen zur Differenz der bei den Spannungssignale proportionalen Steuerstrom. f Die Überwachung des Schwingungserregers geschieht durch Messung der wirksamen dynamischen Kraft in der Verbindungsstange Masse-Zylinder sowie durch einen ent sprechenden Sicherheitsschaltkreis. Dieser ermöglicht eine akustische oder optische Warnung bzw. ein Abschalten des Mes-sung mit Cd = effektive Schwingungserregers bei Überschreiten festgelegter Grenzen Messbrücke Dehnung der Kraft. = = Charakteristische Grössen Bild 5. Geometrie des Dreigelenk-Dehnungsmessrahmens Die dynamische Kraft des Schwingungserregers ergibt Mechanische Teile sich theoretisch für eine sinusförmige Bewegung Der Rahmen hat die Aufgabe, die Schwingmasse im x Xo • sin <M Frequenzbereich von 1 bis 25 Hz und im Wegbereich von 0 G bis 10 cm spielfrei zu führen. Es 0 ',fen keine inneren Reso zu Pdyn max m . x . ((12 = - . x . 4 7t2 • f2 g nanzschwingungen auftreten. Schwmgungen, die aus Bewe gungen des Prüf körpers senkrecht zur Rahmenebene entste mit: ((I = Kreisfrequenz der Bewegung (sec-I) f = Frequenz der Bewegung (sec-I) hen, müssen unbeschadet ertragen werden können. Diese G = Gewichtskraft (kN) Anforderungen werden erfüllt durch eine verhältnismässig steife Ausbildung des Rahmens und eine statisch unbestimm g = Erdbeschleunigung (m . sec-2) te Lagerung der Verbindungsstange Masse-Zylinder mittels Durch verschiedene Einflüsse wie Charakteristik des Längskugellagern. Servoventils, Reibung zwischen Kolben und Zylinder, Lager Die Schwingmasse aus Blei kann aus verschiedenen tel reibung usw. ergeben sich indessen gewisse Abweichungen. lerförmigen Einzelmassen zu einer Gesamtmasse zwischen 10 Die Leistungswerte des Schwingungserregers sind ferner und 200 kg zusammengesetzt werden. Dadurch ist es mög durch die Kapazitäten von Pumpenaggregat, Servoventil und lich, innerhalb der Leistungsgrenzen der Servohydraulik jede Hydraulikzylinder begrenzt. Bild 3 zeigt als Beispiel die im beliebige Kraft-Frequenz-Kombination zu erzeugen. Prüfstand gemessene tatsächliche Kraft-Frequenz-Grenzkurve Bild 6. Schwingungsversuch an einem Leichtbetonbalken des Schwingungserregers für eine Masse von 104 kg. Zum Die Aufgabe bestand darin, über einer Basislänge von Vergleich ist die theoretische, aufgrund der Leistungsfähigkei 20 cm die Dehnung auf dem Versuchsobjekt mit einer Ge ten von Hydraulik und Elektronik ermittelte Kurve gestri nauigkeit von etwa 1 % zu erfassen. Die Lösung wurde im chelt eingetragen. Unterhalb der gemessenen Grenzkurve sog. Dreigelenk-Dehnungsmessrahmen gefunden (Bild 4). Das kann jede beliebige Kraft-Frequenz-Kombination realisiert mittlere Gelenk, eine 2,85 cm lange Leichtmetall-Lamelle, werden. dient als eigentliches Messelement. Die Fusspunkte des Deh nungsmessrahmens sind als wirkliche Gelenke mit konischen Messeinrichtungen Axen zum spielfreien Einstellen ausgebildet. Die Fixierung Analoge Au/zeichnung und Spitzenwertmessung des Gerätes auf dem Beton oder Bewehrungsstahl des Ver suchsobjektes erfolgt mit normalem Dehnungsmessstreifen Messungen bei dynamischen Beanspruchungen bedingen Klebstoff. eine umfangreiche Ausrüstung, sofern jeder Messstelle während Um eine vollständige Endeinspannung der Lamelle zu des ganzen Versuchsablaufs eine komplette Registriereinheit erhalten, wurde sie aus dem vollen Material herausgefräst. (Kanal) zur analogen Aufzeichnung zugeordnet werden muss. Diese Ausbildung bewirkt eine konzentrierte Biegeverfor Wenn jedoch die zeitliche Funktion der Bewegung als solche mung über die Länge der Lamelle und bildet die Grundlage stationär und zudem bekannt ist, kann der Aufwand mittels einer exakten Verformungsmessung durch zwei beidseitig auf einer Umschaltanlage und nachgeschalteter Spitzenwertmes die Lamelle geklebte Dehnungsmessstreifen in Halbbrücken sung stark verringert werden. Die am IBK zur Verfügung schaltung. Bei dieser Schaltung werden die absoluten Deh stehende Anlage erlaubt 100 Messpunkte seriell nach dem nungsbeträge der Zug- und Druckfaser der Lamelle addiert. oberen und unteren Spitzenwert abzutasten. Diese Messart Eine günstige Kombination von Rahmenhöhe, Gelenklänge erfordert für jede Messstelle nur den fest verdrahteten Mess und Gelenkhöhe führt zu einer kalibrierten Aussage mittels wertgeber. Die entsprechenden Messwerte werden dann chro herkömmlicher Messbrücken. Im verwendeten Messgerät nologisch durch eine einzige Gerätegruppe registriert. Das kann als kleinste Einheit am manuellen Kompensator bei Abtasten und Registrieren der Spitzenwerte von 100 Mess einer k-Wert-Einstellung von 2,0 noch eine Dehnung von stellen dauert etwa 100 sec. 0,001 %, d.h. 1O~5 abgelesen werden. Bei einer direkten Dreigelenk-Dehnungsmessrahmen Messung über einen Messverstärker lässt sich die Auflösung Die Deformationsmessung beim Beton schliesst zum vorne noch um den Faktor 100 verbessern. herein den direkt applizierten Dehnungsmessstreifen aus, da Der geometrische Zusammenhang, der innerhalb der dieser durch Rissebildung Schaden nimmt und infolge üblichen Verformungen von Betonprüfkörpern die Genauig Inhomogenitäten der Betonoberfläche oft zu Fehlmessungen keitsanforderungen erfüllt, ist in Bild 5 festgehalten. Weitere führt. Induktive Wegaufnehmer sind nur geeignet, wenn die beeinflussende Parameter sind K-Faktor der verwendeten hohen Beschaffungskosten und der beträchtliche Montageauf Dehnungsmessstreifen und Umschaltgeräte. Die Reibungs wand keine Rolle spielen. Aus diesen und weiteren Gründen kraft im Fussgelenk ist so klein, dass sie die Reproduzierbar musste für die erwähnten Balkenversuche eine neuartige keit der Messung nur unmerklich beeinflusst. Die Dreigelenk Messeinrichtung gesucht werden. Dehnungsmessrahmen können im elastischen Bereich des Bild 7. Ausschwingversuch, Durchbiegung in Balkenmitte . 125 1 t I gen der Balkenunterseite registriert. Ein zusätzlicher indukti '" ver Wegmesser am Schwingungserreger diente der Aufnahme mox. Durchbiegung 72,70m m des Hubes der Schwingmasse. Damit konnte die aufgebrachte Resonanzfrequenz 3,51 Hz zugehörige Stahlspannung 50o N/mm2 Erregerkraft auch nachträglich noch kontrolliert werden. Die erhaltenen Messgrössen wurden teils analog, teils -075 " Be/onspannung 2 2 N/mm2 'e": " Erregerkraft 41 2N mittels Spitzenwertmessung registriert. Zur analogen Auf "'" zeichnung standen sieben Kanäle zur Verfügung, d.h. ein 4- Q) ~50 Kanal-Magnetband, ein 2-Kanal-x-t-Schreiber und ein x-y o5 Schreiber. Die restlichen Messwertaufnehmer wurden an die 25 LJ beschriebene Umschaltanlage mit nach geschalteter Spitzen I~ wertmessung angeschlossen. Damit konnten nacheinander jeweils die maximalen und minimalen Messwerte der ent 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5i) 5,5 sprechenden Messstellen registriert werden. Frequenz (1/5) Bild 8. Resonanzversuch, Durchbiegungen in Balkenmitte Folgerungen bezüglich Versuchseinrichtung Der neu entwickelte servohydraulische Schwingungserre verwendeten Materials - im vorliegenden Fall bis zu Längen ger hat sich unter allen Bedingungen sehr gut bewährt und änderungen von ±4 mm - verwendet werden. Selbst bei zeichnete sich durch eine hohe Zuverlässigkeit aus. Während Schwingungen von 25 Hz sind noch exakte Aussagen über total 14 Wochen Versuchsdauer trat keine einzige Panne auf. das tatsächliche Dehnungsverhalten möglich. Die Wahl der Frequenz und des Kolbenhubes konnte stufenlos erfolgen, was sich bei der Aufnahme der Resonanz Beispiel kurven als sehr günstig erwies. Die Resonanzstelle konnte Die vorgängig beschriebenen Belastungs- und Messein stets exakt ermittelt werden. Auch bei Resonanz mit grossen richtungen wurden erstmals bei Schwingungsversuchen an Amplituden hielt der Schwinger die eingestellte Frequenz und schlaff armierten Leichtbeton- und Betonbalken verwendet den gewählten Kolbenhub jederzeit aufrecht. Vom Schwinger (Bild 6). Alle Balken hatten dieselben Aussenabmessungen her gesehen waren damit während der Messzeit stationäre von 0,40 x 0,24 x 8,40 m. Sie unterschieden sich jedoch bezüg Verhältnisse garantiert. Die vertikalen Durchbiegungs-Ampli lich Betonart und Armierungsgehalt. Die Lagerung entsprach tuden der Balken wurden bei der erzwungenen Schwingung der eines einfachen Balkens. Die Auflager wurden zug- und zum Teil bis zu ± 10,0 cm gesteigert. Auch bei diesen grossen druckfest sowie möglichst reibungsfrei ausgebildet. Amplituden und den aufgetretenen Beschleunigungen von An den Probekörpern wurden Ausschwing- und Reso 2,0 g ergaben sich keine besonderen Probleme. Die maximal nanzversuche durchgeführt. erreichbare Frequenz des Schwingers lag erwartungsgemäss bei 30 Hz. Um mögliche Nebeneffekte auszuschliessen, Ausschwingversuche musste die Versuchsanlage so konzipiert werden, dass der Den Balken wurde vorerst mittels einer speziellen Vor Schwinger nur vertikale Verschiebungen in Richtung der richtung eine Anfangsauslenkung aufgezwungen. Danach Störkraft ausführen konnte. Im vorliegenden Fall waren die wurde diese Vorrichtung schlagartig gelöst, worauf der Prüf aufgetretenen horizontalen Längs- und Querverschiebungen körper frei ausschwingen konnte. Bild 7 zeigt den Amplitu minim. denverlauf in Funktion der Zeit bei einem derart durchge Die Dreigelenk-Dehnungsmessrahmen eigneten sich sehr führten Ausschwingversuch an einem Leichtbetonbalken. Es gut zur Erfassung von dynamischen Dehnungen. Während fällt auf, dass die Dämpfung bei hoher Beanspruchung trotz des ganzen Versuches absolvierte jeder Messrahmen problem starker Rissebildung geringer ist als bei kleinerer Beanspru los etwa 1,5 Millionen Lastwechsel. Es zeigte sich, dass es chung. zweckmässig war, die Messrahmen bei der Montage etwas Resonanzversuche «vorzuspannen», um ein allfälliges Spiel in den Gelenken bei einem Nulldurchgang zu vermeiden. Mit dem servohydraulischen Schwingungserreger wurden erzwungene Schwingungen erzeugt und die Resonanzkurven Die analoge Registrierung der Messdaten bot keine jeweils im Bereich der ersten Eigenfrequenz der Balken Schwierigkeiten, bedingte jedoch einen erheblichen Aufwand durchfahren. Die Beanspruchung der Balkenarmierung wurde an elektronischen Geräten. Die Spitzenwertmessung ist be dabei bis zur Fliessgrenze gesteigert. Bild 8 zeigt die an einem deutend weniger aufwendig. Nach Überwindung anfänglicher Leichtbetonbalken ermittelte Resonanzkurve. Sie ist infolge Schwierigkeiten hat sich auch die Spitzenwertmessung be des nichtlinearen Verhaltens stark asymmetrisch. währt. Die Stahl- und Betondehnungen bzw. -stauchungen wur Ein umfassender Bericht über die Versuchsergebnisse den in drei Querschnitten mittels total 18 Dreigelenk-Deh wird im Laufe des Jahres 1979 veröffentlicht werden. nungsmessrahmen auf der Balkenoberseite und -unterseite gemessen. In denselben Querschnitten wurden mit induktiven Adresse der Verfasser: M. Baumann, dip!. Bauing. ETH, R. Dieterle, Weggebern auch die vertikalen Balkendurchbiegungen aufge dip!. Bauing. ETH, und Prof. Dr. H. Bachmann, dip!. Bauing. ETH, nommen. Ferner wurden in Balkenmitte die Beschleunigun- Institut für Baustatik und Konstruktion, ETH-Hönggerberg, 8093 Zürich.