IBJ TECHNOLOGY
Ingenieurbüro Jäger

Anwendung des akusto-elastischen Effektes

Die messtechnische Nutzung des akusto-elastischen Effektes ermöglicht qualitativ und quantitativ neue Mess- und Überwachungsmethoden in Bauwerken und im Gebirge. Als Beispiel für mögliche Anwendungen kann das Monitoring von lokalen Spannungszuständen in Bauwerken und Untertagebauen über einen langen
Zeitraum genannt werden. Weiterhin ergeben sich neuartige und zugleich kostengünstige Anwendungen, wie die online Überwachung des Antwortspektrums von Bauwerken jeglicher Art in seismisch aktiven Gebieten. Schon während der Bauphase sind Messungen in Fundamenten und Pfählen möglich. Auch Tunnelbaue mit hohen Überlagerungen bzw. großen Gebirgsdruckerscheinungen können so online überwacht werden. Die Messkörper lassen sich schon in der Phase der Bauwerkserstellung, d.h. Betonierung, einbringen. Auch ein nachträglicher Einbau in Bohrlöcher (Methode des harten Einschlusses) oder die Verspannung in Dehnfugen von Bauwerken ist möglich.

Messtechnische Grundlagen der in-situ Spannungsmessung

Im Gegensatz zur Spannungsanalyse von Bauteilen, wo im allgemeinen die Geschwindigkeitsänderung der transversalen und longitudinalen Wellen erfasst und ausgewertet wird, nutzt die hier betrachtete in-situ Spannungsmessung nur die Veränderung der Geschwindigkeit der Longitudinalwellen innerhalb der Dicke eines Messkörpers.
Bisherige direkte Messungen der Schallgeschwindigkeit in Gesteinen oder Beton sind für Bestimmungen der Spannungsverhältnisse ungeeignet. Gesteinsanisotropien, Risse etc. beeinflussen markant diese Messungen. Besonders unterschiedliche Gehalte an Porenwasser machen solche Messungen schwer vergleichbar und ungeeignet für ein Monitoring.
Der messtechnische Einfluss von wechselnden Porositäten und/oder Feuchtegehalten kann weit über dem spannungsabhängigen Anteil des Messeffektes liegen.

Diese neuartigen Anwendungen des akusto-elastischen Effektes für die Belange der Geotechnik werden von mehreren relevanten Patentschriften [Jäger, 2005,2006,2007, 2008,2009] beschrieben.

Die Krafteinleitung verändert auch die mechanische Spannung in dem Messkörper.
Da diese mechanische Spannung nicht direkt messbar ist, muss man entweder den Umweg über eine mechanische Größe oder über weitere direkt abhängige Größen wählen. Die Ultraschallgeschwindigkeit ist so eine, von der mechanischen Spannung, abhängige Größe.

Der akusto-elastische Effekt kann sowohl durch die Messung der longitudinalen (Schub-) Welle als auch durch die Messung der transversalen (Scher-) Welle oder durch Auswertung der Veränderung beider Wellen erfolgen.

Es gilt die Reversibilität zwischen Ausdehnung und Stauchung.
Das Hooksche Gesetz gilt nur für den elastischen Bereich.

English
Home
Gebirgsspannung
Tunnel
Bauwesen
Katastrophen
Umwelt
Automation

Die Änderung der Schallgeschwindigkeit ist neben der Abhängigkeit von der einwirkenden mechanischen Spannung auch von der Temperatur abhängig.
In der Praxis stellt sich der Temperaturausgleich zwischen Messkörper und umgebendem Bauwerk ausreichend schnell ein. Größere Temperaturschwankungen sind im stationären Einbau im Gebirge oder in Tunneln, konkret im Ringraum zwischen Tübbing und Gebirge, nicht zu erwarten. Bei Anwendungen, wo mit einer wechselnden Umgebungstemperatur zu rechnen ist, sind Temperaturmessungen zur Kompensation denkbar und leicht im Messkörper implementierbar.

Durch das elastische Verhalten der Messstrecke zwischen den Ultraschallsensoren wird auch die Länge der Messstrecke verändert.
Da bekannt ist, dass zum Beispiel die Änderung der Schallgeschwindigkeit durch die Einwirkung einer mechanischen Spannung (Stauchung der Messtrecke) wesentlich größer ist, wie der Einfluss der reinen Längenänderung durch diese Spannung oder Krafteinwirkung auf die Messtrecke, kann durch die Messung der Schallgeschwindigkeit eine ausreichend genaue Ermittlung der Spannung innerhalb des Messkörpers erfolgen.

Die oben dargelegten akusto-elastischen Koeffizienten sind im Verhältnis zur absoluten Schallgeschwindigkeit sehr klein.
Die direkte messtechnische Auswertung durch eine übliche Laufzeitmessung ist zu ungenau, da hier die Auflösung nicht ausreicht.
Eine direkte Frequenzzählung über Mikroprozessoren scheidet aus, da die Zykluszeit (Rechentakt) um den Faktor 1000 bis 10000 größer ist als die geforderte nutzbare Auflösung.
Metallplatten von wenigen Zentimetern ergeben bei nur einer Reflexion Laufzeiten des Ultraschallimpulses kleiner 10 µs.

,,,mehr

Chemie
Press release
Patente
Dokumente
Leistungen
About
Kontakt
© Copyright 2003/2013
IBJ Technology