Computerkonforme Datenerfassung bei Stahlbeton Grossversuchen Markus Baumann Hugo Bachmann Mlirz 1972 Bericht Nr. 43 Springer Basel AG Institut fur 8austatik ETH Zurich © Springer Basel AG 1972 Ursprünglich erschienen bei Birkhäuser Verlag Basel 1972 ISBN 978-3-7643-0645-8 ISBN 978-3-0348-5960-8 (eBook) DOI 10.1007/978-3-0348-5960-8 Schweizerische Bauzeitung Sonderdruck aus dem 90. Jahrgang, Heft 9, 2. Marz 1972 Computerkonforme Datenerfassung bei Stahlbeton-Grossversuchen Von Markus Baumann, dipl. Ing., und Prof. Dr. Hugo Bachmann, Institut fUr Baustatik, ETH Zurich 1. Voraussetzungen spiel [1 D. Ein solches Projekt umfasst stufe mlissen zahlreiche Messungen Bei Grossversuchen an Priifkorpem nOImalerweise verschiedene Versuchsrei durchgefUhrt werden. Wlirde man fiir die aus Stahlbeton und Spannbeton im Rah hen, innerhalb derer sich die einzelnen Dauer dieser Messungen die Belastung men von Forschungsprojekten ergeben Prlifkorper durch systernatische Varia konstant halten, so ergiibe sich wiihrend sich zahlreiche Probleme der Planung, tion bestimmter Kenngrossen unterschei dieser Zeit eine standige Veriinderung DurchfUhrung und Auswertung. Neben den. 1m folgenden wird insbesondere an der zu messenden Verformungen. Denn der Festlegung von Material, Form und statische Versuche an Balken und Stlitzen Priifkorper aus Stahlbeton zeigen auch Massstab der Prlifkorper ist die Bereit gedacht. Die AusfUhrungen konnen je im Kurzzeitversuch bereits Kriech stelJung zweckmassiger Versuchs- und doch auch auf andere Versuchsarten und erscheinungen. Diese verstarken sich mit Messeinrichtungen von wesentlicher Be Priifkorper sinngemass libertragen wer zunehmendem Beanspruchungsgrad. Bi deutung. den. ne eindeutige Zuordnung von Kraft-und Verformungsgrossen ware bei diesem Art der Versuche Versuchsablauf Verfahren nicht moglich. Ais Beispiele seien die am Institut Der Ablauf eines Versuches wird im Es hat sich als sehr zweckmassig fUr Baustatik der ETH Zlirich laufenden wesentlichen durch ein Belastungs- und erwiesen, den Kriechvorgang durch ei Forschungsprojekte erwahnt (zum Bei- ein Messprogramm bestimmt. Je Last- nen Relaxationsvorgang zu ersetzen. Bild 1 zeigt das Schema einer Laststufe mit den zeitlichen Phasen I, II und III. In den kurzen Phasen I und III werden die Kraftgrossen konstant gehalten und ge Last P messen. Wahrend der Phase II ist die Last so zu vermindem, dass sich die zu messenden Verformungen nicht iindem. __________T -____~ ~PE Flir die Auswertung werden die gemesse Phose I Phose II nen Verformungen den Kraftgrossen der Krtlftmessungen \ferformungsmessungen Kroftmessungen Bndlast PE zugeordnet. 1'+31 30' +60' l' + 3' Die Relaxation kann bei hoheren KRtECHEN RELAXATION KRIECHEN Beanspruchungsgraden betrachtlich sein (Lastreduktion bis 10%). Sie ist jedoch normalerweise nach etwa 30 min weit Zeit gehend abgeklungen. Bild 1. Schema einer Laststufe mit den Phasen I, II und III Bisherige Mess- und Registriermethoden Versuchskorper, welche im Rahmen Bild 2. Induktives Setzdehnungsmessgerat von Projekten der Grundlagenforschung geprlift werden, weisen in der Regel zwischen 100 und 300 Messstellen auf. Normalerweise werden folgende Grossen gemessen: - Krafte (Belastungen, Aufiagekrafte, usw.) - Integrale Verformungen (zum Beispiel Durchbiegungen, Verdrehungen) - Lokale Verformungen (Beton, Armie rungsstabe, gegenseitige Verschiebun gen bestimmter Punkte, usw.) Krafte und integrale Verformungen Ueberwachung gewiihrleistet ist und verwendet, eignen sich aber unter den sind meist verhiiltnismassig wenige zu Entscheide iiber den weiteren Ver gegebenen Umstanden nicht. Bei den messen. Sie werden zum Beispiel durch suchsablauf moglich sind. beschriebenen Versuchen treten meist Manometer, elektrische Dehnungsmess Diese Anforderungen sollten erftillt betriichtliche plastische Verformungen streifen, mechanische Messuhren und werden unter Beriicksichtigung der fol auf, und zudem konnen die Messstrecken Nivellierinstrument erfasst. Die Mess genden im unbelasteten Zustand von der Sollan werte mUssen abgelesen und von Hand ge abweichen. Aus diesen GrUnden miis notiert werden. Der weitaus grosste Teil Randbedingungen: sen Verschiebungswege von bis zu 10% der Messungen entfiillt normalerweise - Die Messgenauigkeit solI mindestens der Messstrecken mit sehr guter Genauig auf die lokalen Verformungen. Die Ver derjenigen der bisherigen Messmetho keit bewiiltigt werden konnen. Die Lo wendung von elektrischen Dehnungs den entsprechen sung wurde durch die Kombination eines messstreifen, welche auf Beton oder ein induktiven Dehnungsgebers mit einem - Infolge des Phiinomens der Relaxation betonierten Armierungsstiihlen aufge Setzdehnungsmessgeriit gefunden. Die ist eine Verkiirzung der Versuchsdauer klebt sind, hat sich nicht bewiihrt (Inho Bilder 2 und 3 zeigen eine Abbildung pro Laststufe unter etwa 30 min nicht mogenitiiten, Risse, Storung des Verbun sowie Schnittzeichnungen des neu ent erwiinscht des, usw.). Aile diese Verformungen wickelten Geriites. - Eine feste Montage und Verdrahtung miissen mittels Setzdehnungsmessgerii Der fUr die Abtastung der Mess von Messgeriiten an den zahlreichen, ten erfasst werden. Auf Beton und Ar zur Messung lokaler Verformungen strecke massgebende mechanische Teil mierungsstiiben (Messfenster) werden notigen Messstellen ist zu aufwendig besteht aus einem Rohr und einem darin Bolzen aufgeklebt, die eine Bohrung und kommt daher fUr die vorliegende konzentrisch laufenden Kern, der spiel aufweisen. In die Bohrungen zweier zu Versuchsart nicht in Frage. frei durch Kugelliingsbahnen zweier so einer bestimmten Messstrecke gehoren genannter Kugelbiichsen gefiihrt wird. der Bolzen werden die beiden Tastspitzen Aufgrund dieser Problemstellung Der Kern ist Triiger der beweglichen des Setzdehnungsmessgeriites eingefUhrt. wurden ein neuartiges induktives Setz Tastspitze. Beide Spitzen sind mit Ku Damit kann die Liingeniinderung dieser dehnungsmessgerat sowie eine vielseitig geln versehen, welche bei der Messung in Messstrecke von Laststufe zu Laststufe verwendbare elektronische Anlage ent kalottenformige Vertiefungen der Bolzen ermittelt werden. Die gebriiuchlichen wickelt. Diese sollen im folgenden kurz eingefiihrt werden. Gegeniiber kegelfOr Setzdehnungsmessgeriite sind mit einer beschrieben werden. migen Spitzen und entsprechenden Mess mechanischen Uhr versehen. Darauf bolzen ergibt sich eine hohere Genauig muss der Messwert abgeJesen und einem 3. Neuartiges induktives Setzdehnungs keit. Gehilfen diktiert werden, welcher ihn auf messgeriit Der elektrische Teil-ein induktiver einem Messprotokoll notiert. Zur Aus In mancher Beziehung wichtigste Weggeber - wird vor allem fiir Auslen wertung der Versuche miissen die Mess Komponenten einer elektronischen kungs- und Schwingungsmessungen ge werte dem Protokoll entnommen und Mess- und Datenerfassungsanlage sind braucht. Er erwies sich aber auch ais sehr mit Hilfe von Rechenschieber oder die Messgeriite. Sie arbeiten mittels geeignet fiir die Verwendung im Setzdeh Tischrechenmaschine weiterverarbeitet ohm'scher, induktiver oder kapazitiver nungsmessgeriit. Bin zylindrisches Ge werden. Sie konnen aber auch in Loch karten gestanzt und mit dem Computer Geber. Zur Messung von Kriiften und hiiuse aus rostfreiem Stahl umschliesst integralen Verformungen sind entspre zwei gleiche Messspulen, die auf gemein ausgewertet werden. chen de Geriite auf dem Markt erhiiltlich. samer Achse nebeneinander liegen. 1m Hingegen fehlen solche, welche unter Kernkanal der beiden Spulen lasst sich 2. Problemstellung Beriicksichtigung der erwiihnten Rand ein ferromagnetischer Tauchanker ver bedingungen die Funktion der mechani schieben. Nach den bekannten Gesetzen Dieser bisher iibliche Prozess «Ab schen Setzdehnungsmessgeriite iibemeh der Elektrizitiitslehre veriindert sich die lesen - Diktieren - Notieren - dem men konnten. Ohm'sche Geber, das Induktivitiit der Spulen bei Verschiebung Protokoll entnehmen - Auswerten oder heisst Dehnungsmessstreifen oder Poten des Tauchankers. Die elektrische Mes Ablochen» ist nicht nur sehr arbeitsin tiometer, werden in der Messtechnik oft sung erfolgt an einer Wheatston'schen tensiv, er birgt auch mannigfache Fehler quellen und Moglichkeiten zu Irrtiimern. Zudem verlangt die Entwicklung neuer oder die Erweiterung bestehender Theo 22] rien nach immer grosseren Mengen von f 6Q B-B Versuchsdaten. Es galt daher zu priifen, <r! auf we1che Weise eine Rationalisierung und moglichst weitgehende Automatisie S:::::::3F1---·-~... --~... r- rung des Mess- und Auswerteprozesses unter Ausschaltung der genannten Feh leranfiilIigkeit moglich wiire. Im Vorder grund standen die folgenden loot :> IOduktiver Weggeber Wl0 K Anforderungen: - Die Messwerte sollen beim Messen simultan und automatisch in compu tercompatibler Form gespeichert wer ~ Sitberstohl den, ~Teflon c::::J pvc feste Sp,tze beweghche Sp,tze - Die Messwerte sollen zudem gieichzei ~ c:::J ProZISionsstohlrohr tig in Klarschrift iibersichtlich ausge druckt werden, damit jederzeit die BUd 3. Ansicht und Schnitte des induktiven Setzdehnungsmessgeriites 2 Abweichung - Abweichung vom linearen Zusammen in 1/tOomm hang zwischen Messwert und Messweg 3 (Bild 4) - Unregelmiissigkeiten von Tauchanker und Wicklungen der Messspulen -5 Messweg - Temperaturbedingte Langenanderung in mm des Messgeriites - Ungenauigkeiten der mechanischen -3 Konstruktion Bild 4. Linearitlitsabweichung eines induktiven Setzdehnungsmessgerlites Die systematischen FeWer lassen sich weitgehend eliminieren. Zum Bei spiel kann die Linearitiitsabweichung mit Rilfe einer Eichkurve bei der Auswer tung der Messwerte beriicksichtigt wer Briickenschaltung, deren vier Elemente Von besonderem Interesse ist die den. Die dritte Fehlerart betrifft die aus den beiden Messspulen und zwei mit dem Setzdehnungsmessgeriit erreich zufiilligen oder unregelmiissigen FeWer. Prazisionsabgleichwiderstanden mit Pha bare Messgenauigkeit. Grundsatzlich ist Sie bestimmen die sogenannte Reprodu senabgleich bestehen. Die Verstimmung zwischen drei verschiedenen Fehlerarten zierbarkeit einer Messung und konnen der anfanglich abgeglichenen Brucke lie zu unterscheiden. Grobe Fehler entste durch den mittleren FeWer charakteri fert eine Messspannung beziehungsweise hen vor allem durch ungenugende Auf siert werden. Dieser wurde fUr das be einen Messstrom proportional zur Ver merksamkeit bei der Bedienung des Ge schriebene Geriit an einer Messstrecke schiebung des Tauchankers. riites. Diese Fehler sind unabhiingig von von 10 cm Lange und mittels mehrerer Jeder Messwert muss mit einer der Konstruktion des Messgeriites und Messreihen zu etwa 0,2/1000 mm be Messstellennummer versehen werden. sollen hier nicht weiter beachtet werden. stimmt. Diese kann an dem in Bild 2 sichtbaren, Systematische oder regelmiissige Fehler am iiusseren Rohr befestigten Geriit ma hingegen sind meistens Instrumentenfeh nuell eingestellt werden. Rier befindet ler. Sie konnen beim beschriebenen Ge 4. Elektronische Anlage sich auch ein Kontaktschalter, mit dem riit vor allem die folgenden Ursachen Bild 5 zeigt die elektronische Mess der Registriervorgang ausgelost wird. haben: und Datenerfassungsanlage. Ihr schema tischer Aufbau geht aus Bild 6 hervor. Dort sind sowoW die einzelnen Kompo nenten wie auch der Signal-und Daten Bild 5. Elektronische Mess- und Datenerfassungsanlage des Institutes fUr Baustatik Buss ersichtlich. der ETH Ziirich Die Anlage kann Messsignale sowohl von induktiven wie auch von ohm'schen Gebern aufnehmen und verarbeiten. Sie besteht im wesentlichen aus vier Teilen: Den beiden fUr die genannten Geberty pen getrennten Abgleich-, Verstarkungs und Digitalisierungseinheiten, der Im puls-Codierungseinheit (Serializer) sowie der Schreib- und Lochstreifeneinheit (Terminal). 1m «induktiven» Teil der Anlage bilden die Abgleichgeriite zusammen mit den Messwertgebern die bereits im Ab schnitt 3 erwiihnten Wheatston'schen Bruckenschaltungen. Die Abgleichgeriite konnten auch fiir den Abgleich rein ohm' scher Messbriicken verwendet wer den. Zweckmiissigerweise wird anfang lich ein Nullabgleich auf einer Eich Messstrecke durchgefiihrt. Dieser Nul labgleich hat bei Benutzung von indukti ven Gebern nach Betrag und Phasenlage zu erfolgen. Die induktiv arbeitende Brucke muss mit einer Triigerfrequenz spannung gespiesen werden. Diese Spei sung sowie die Demodulation und Ver stiirkung der analogen Signale uber nimmt der Messverstarker. Die verstiirk te Messgrosse wird in diesem Geriit als analoges elektrisches Signal auf einem Zeigerinstrument angezeigt. Eine direkte Ablesung auf diesem Instrument ware nicht nur zu ungenau, sie wiirde auch den 3 formulierten Anforderungen an die An ,--------------------------, Indukllve Dehnungsgeber I "INDUKTIVER" TElL "OHMSCHER" TElL I lage nicht gentigen. Der Einsatz eines Mulfiswifch I I Digitalvoltmeters ermoglicht eine we ~rn:;~!J:2]c;;:}----:8AbgleiCh sentlich bessere Auflosung und schafft fur 2 Trtigerfrequenz II Eingiinge Messverstarker auch die Voraussetzungen flir eine auto I MIG/U22 KWS 315-5 matische Registrierung. Das Digitalvolt MIG/S meter zerlegt den eingestellten Messbe I iL ._.I L._. ,--__, --__- L-__- , reich in ± 10000 Einheiten (Digits). L.B.CD_ (1.24_8). _._._.~I ._. Damit kann auch im kleinsten Verstar I I kungsbereich bei einem Messweg von I ± 1 cm eine Empfindlichkeit von I BCD(1248) 1/1000 mm erreicht werden (1 Digit I I Lo. 1/1000 mm). I SERIALIZER Die Messstellennummern werden II Wort· I I CCC SP±DDDD SPIRO durch einen dreistelligen Numerateur ~9-;;-Sct.;;nkf---------- --______ J erzeugt. Die Nurnerierung kann entwe ISO-CCJTT der manuell tiber einen zum Beispiel auf dem induktiven Setzdehnungsmessgerat Stanzer Terminal Leser Olivetti Te 338 aufgebauten Vorwahlschalter (Multi Pe 308 OFF-LINE Se30B switch, vgl. Bild 2) oder automatisch von Messwert zu Messwert fortschreitend Bild 6. Schematischer Aufbau der elektronischen Mess- und Datenerfassungsanlage erfolgen. des Institutes flir Baustatik der ETH ZUrich 1m «ohm'schen» Teil der Anlage erganzt das Abgleichgerat die Dehnungs messstreifen zu Brtickenschaltungen. Der Abgleich hat hier nur nach Betrag zu erfolgen, da mit Gleichstrom und rein Darstellung der Messwerte und die Spei - Die Messwerte werden zudem gleich ohm'schen Widerstanden gearbeitet cherung auf Lochstreifen intern gesteuert zeitig in Klarschrift und tabellarischer wird. Mit der Anlage konnen bis zu 50 werden. Damit der gesamte Registrier Anordnung ausgedruckt. vorgang selbstandig ablauft, wird am Brtickenschaltungen fest verdrahtet und Eine wichtige Komponente der ge Ende jeder Messwertaufzeichnung durch abgeglichen werden. Eine Erweiterung sam ten Anlage ist ein neuartiges indukti ein spezielles Zeichen des Serializers der auf mehrere hundert Messstellen ist ohne ves Setzdehnungsmessgeriit mit aufgebau Streifenleser in Betrieb gesetzt. Dieser weiteres moglich. Der Gleichspannungs tern Messstellen-Numerateur. Die analo bewirkt die Bereitschaft flir die Aufnah verstarker und das entsprechende Digi gen Signale werden durch die elektroni me des neuen Messwertes. talvoltmeter sind in einem einzelnen Ge sche Anlage vorerst verstarkt und digita rateteil zusammengefasst. Der gesamte Vorgang lauft prak lisiert. Dann werden die Daten von einer An den Ausgangen sowohl der tisch gesehen wie folgt ab: Sobald der speziellen Impuls-Codierungseinheit Messstellen-Anzeige wie auch der beiden Numerateur richtig eingestellt ist und das tibernommen, welche sie in dynamischer Digitalvoltmeter sind die Daten in stati Messgerat sich in der gewUnschten Posi Form einer Schreib- und Lochstreifen scher Form im sogenannten BCD-Code tion befindet, erfolgt der Registrierbefehl einheit zuflihrt. Der ganze Mess- und (1, 2, 4, 8) vorhanden und werden durch durch Betatigung eines Kontaktschal Registriervorgang dauert etwa 1,5 S. Ab die Impuls-Codierungseinheit (Serializer) ters. Messstellennummer und Messwert dem Lochstreifen konnen die Daten di Ubernommen. Dieses Gerat fragt das werden gleichzeitig in Klarschrift ge rekt in den Computer eingelesen werden. vorgeschaltete Digitalvoltmeter und den schrieben und auf Lochstreifen gespei Dieser besorgt die Auswertung sowie die Numerateur seriell ab und wandelt die chert. Die Dauer dieses Vorganges - von tabellarische und graphische Darstellung entstehende Impulsfolge in den von der der Auslosung bis und mit Schreiben und der Ergebnisse. Stanzen - wird bei der beschriebenen An Registriereinheit verlangten ISO Die Entwicklung und Anschaffung lage durch die Leistungsfahigkeit des Ter CCITT- Code urn. Die Daten stehen nun der beschriebenen Anlage wurde durch in dynamischer Form flir die Ansteue minals bestimmt und betragt etwa 1,5 S. Kredite der Eidg. Technischen Hoch rung der Schreib- und Lochstreifenein schule Ztirich ermoglicht. Bei der Ent heit zur Verfligung. Diese, ein normales 5. Zusammenfassung wicklung des induktiven Setzdehnungs Computer-Terminal, druckt die Daten in Bei Grossversuchen an Prtifkorpern messgerates war Herr Kurt Bucher, Me gewUnschter tabellarischer Anordnung aus Stahlbeton und Spannbeton mit chaniker, massgeblich beteiligt. Diese auf Klarschriftbogen und stanzt sie si mehreren hundert Messstellen sind die Unterstiitzung mochten die Verfasser multan in Lochstreifen. Das Terminal bisherigen Mess- und Registriermetho bestens verdanken. kann auch im Time-Sharing-Betrieb di den recht umstandlich und arbeitsinten rekt an den ETH-Computer angeschlos siv. Der Prozess «Ablesen - Diktieren - sen werden. dem Protokoll entnehmen - Auswerten Literaturverzeichnis Von allgemeinem Interesse dUrfte oder Ablochen» birgt auch mancherlei [1] Krauss R., Bachmann H.: Biege- und noch die Art der Steuerung der Schreib Fehlerquellen und Moglichkeiten zu Irr Schubversuche an teilweise vorgespann und Lochstreifeneinheit sein. Ein ange ttimern. Daher wurde eine elektronische ten Leichtbetontragern. Bericht Nummer bauter Streifenleser interpretiert auf ei Mess- und Datenerfassungsanlage ent 6504-4 des Instituts fUr Baustatik, Eidg. nem Steuerstreifen auch Befehle flir spe wickelt, welche den folgenden Anforde Technische Hochschule ZUrich, Oktober 1971. zielle Maschinenfunktionen wie Wagen rungen genUgt: rticklauf, Tabulation, Ein-und Ausschal - Die Messwerte werden beim Messen ten des Lochstreifenstanzers, usw. und simultan und automatisch in compu Adresse der Verfasser: Institut jur Baustatik lost diese aus. Auf diese Weise kann die tercompatibler Form gespeichert der ETHZ, 8006 ZUrich, Winterthurerstr. 28. 4