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Optimiertes Vorhersagemodell zur Ermittlung der dynamischen elastischen Konstanten von Beton mittels gesicherter Ultraschallmesstechnik
Ziel dieser Arbeit war es, vorhandene, aber bisher nur bedingt anwendbare Vorhersagemodelle für die dynamischen elastischen Eigenschaften von Beton aus den dynamischen elastischen Eigenschaften seiner Bestandteile Zementstein und Gesteinskörnung zu überprüfen und zu optimieren, damit ein optimiertes Modell einem praktischen Nutzen zugeführt werden kann. Zur Überprüfung und Optimierung der bestehenden Vorhersagemodelle mussten zuerst grundlegende Voraussetzungen geschaffen werden. Dazu zählte eine geeignete genaue Messmethodik zu entwickeln, damit bei der Ermittlung der dynamischen elastischen Konstanten keine systematischen Fehler auftreten. Hierzu wurde die Ultraschallmesseinrichtung dahingehend kalibriert, dass der so genannte 'gerätespezifische Delay', welcher Fehlzeiten bei der Messung bedingt durch Prüfköpfe und Messgerät beinhaltet, exakt ermittelt werden kann. Diese unerwünschte Fehlzeit kann bei der Laufzeitmessung des Schallimpulses berücksichtigt werden, um die tatsächlich im Probekörper benötigte Impulslaufzeit zu ermitteln. Aus den exakten Laufzeiten können dann die entsprechenden Wellengeschwindigkeiten berechnet werden, welche zur Berechnung der dynamischen elastischen Eigenschaften (Edyn, mydyn) benötigt werden. Des Weiteren wurden Methoden aufgezeigt, mit denen die Schallwellengeschwindigkeiten vp und vs sowohl von großen Probekörpern aus Beton als auch von kleinen Proben wie einzelne Gesteinskörnungen oder Zementsteinprismen exakt bestimmt werden können. Die Messung von Oberflächenwellen (Rayleighwellen) hat sich bei kleinen mineralischen Baustoffproben als vorteilhaft erwiesen, da Longitudinalwellenprüfköpfe zum Einsatz kommen können und aus der Rayleighwellengeschwindigkeit vr die Transversalwellengeschwindigkeit vs berechnet werden kann. Eine weitere Voraussetzung zur Überprüfung und Optimierung des Vorhersagemodells war die Entwicklung einer Methode zur Herstellung von in den schalltechnischen Eigenschaften reproduzierbaren Probekörpern. Dies konnte sowohl für den reinen Zementstein, als auch für Proben aus Zementstein und monomineralischer Zuschläge (Basalt, Marmor und Glas) realisiert werden. Die auf diese Art und Weise hergestellten Probekörper konnten dazu genutzt werden ein optimiertes Vorhersagemodell zu entwickeln, bei dem die mittlere Abweichung der berechneten von den gemessenen E-Moduln der Probekörper lediglich 3,89 % beträgt. Hierzu wird in das allgemein horizontal geschichtete Modell der aus der Optimierung hervorgegangene Schlankheitsgrad lambda = 0,82 eingesetzt. Somit wird erstmals ein Vorhersagemodell angegeben, dass in der Praxis vorteilhaft einsetzbar ist und auch realistische Werte liefert. Durch eine 'Umkehrung' des Modells ist es nun erstmals möglich, die gemittelten dynamischen elastischen Eigenschaften eines beliebig zusammengesetzten Gesteinskörnungsgemisches schnell und exakt zu ermitteln. Dazu wird das Gesteinskörnungsgemisch in einen in seinen schalltechnischen Eigenschaften bekannten Zementstein eingebracht. Durch die Bestimmung der resultierenden schalltechnischen Eigenschaften dieses Probekörpers kann dann auf die Eigenschaften des Gemisches zurückgerechnet werden. Da die elastischen Eigenschaften der Gesteinskörnung einen maßgeblichen Einfluss auf die elastischen Eigenschaften eines Betons haben, ist die Kenntnis der Eigenschaftswerte der Gesteinskörnung für die Materialentwicklung von besonderem Interesse. Es lassen sich nun sowohl die elastischen Eigenschaften der Gesteinskörnung bestimmen als auch deren Einfluss auf die resultierenden elastischen Eigenschaften beim Einsatz in Beton vorhersagen. Somit können nun zielgerichtet Betone mit vorab definierten elastischen Eigenschaften hergestellt werden. Ein wesentliches 'Nebenergebnis' dieser Arbeit ist die Möglichkeit, mineralische Probekörper herzustellen, die in ihren schalltechnischen Eigenschaften reproduzierbar sind. Auf diese Weise ist es erstmals auch möglich, Referenzprobekörper ('Standards') für die Ultraschallprüfung von Beton herzustellen. Es wird dringend empfohlen, die Möglichkeit zu nutzen, an unterschiedlichen Orten erzielte Ultraschallmessungen durch gleichzeitiges Messen an den Standards vergleichbar zu machen. Derartige Standards sind in der Ultraschallprüfung metallischer Werkstoffe und Bauteile weltweit vereinbart und genormt. Für die Ultraschallprüfung von Beton gibt es Vergleichbares jedoch nicht.
Optimiertes Vorhersagemodell zur Ermittlung der dynamischen elastischen Konstanten von Beton mittels gesicherter Ultraschallmesstechnik
Ziel dieser Arbeit war es, vorhandene, aber bisher nur bedingt anwendbare Vorhersagemodelle für die dynamischen elastischen Eigenschaften von Beton aus den dynamischen elastischen Eigenschaften seiner Bestandteile Zementstein und Gesteinskörnung zu überprüfen und zu optimieren, damit ein optimiertes Modell einem praktischen Nutzen zugeführt werden kann. Zur Überprüfung und Optimierung der bestehenden Vorhersagemodelle mussten zuerst grundlegende Voraussetzungen geschaffen werden. Dazu zählte eine geeignete genaue Messmethodik zu entwickeln, damit bei der Ermittlung der dynamischen elastischen Konstanten keine systematischen Fehler auftreten. Hierzu wurde die Ultraschallmesseinrichtung dahingehend kalibriert, dass der so genannte 'gerätespezifische Delay', welcher Fehlzeiten bei der Messung bedingt durch Prüfköpfe und Messgerät beinhaltet, exakt ermittelt werden kann. Diese unerwünschte Fehlzeit kann bei der Laufzeitmessung des Schallimpulses berücksichtigt werden, um die tatsächlich im Probekörper benötigte Impulslaufzeit zu ermitteln. Aus den exakten Laufzeiten können dann die entsprechenden Wellengeschwindigkeiten berechnet werden, welche zur Berechnung der dynamischen elastischen Eigenschaften (Edyn, mydyn) benötigt werden. Des Weiteren wurden Methoden aufgezeigt, mit denen die Schallwellengeschwindigkeiten vp und vs sowohl von großen Probekörpern aus Beton als auch von kleinen Proben wie einzelne Gesteinskörnungen oder Zementsteinprismen exakt bestimmt werden können. Die Messung von Oberflächenwellen (Rayleighwellen) hat sich bei kleinen mineralischen Baustoffproben als vorteilhaft erwiesen, da Longitudinalwellenprüfköpfe zum Einsatz kommen können und aus der Rayleighwellengeschwindigkeit vr die Transversalwellengeschwindigkeit vs berechnet werden kann. Eine weitere Voraussetzung zur Überprüfung und Optimierung des Vorhersagemodells war die Entwicklung einer Methode zur Herstellung von in den schalltechnischen Eigenschaften reproduzierbaren Probekörpern. Dies konnte sowohl für den reinen Zementstein, als auch für Proben aus Zementstein und monomineralischer Zuschläge (Basalt, Marmor und Glas) realisiert werden. Die auf diese Art und Weise hergestellten Probekörper konnten dazu genutzt werden ein optimiertes Vorhersagemodell zu entwickeln, bei dem die mittlere Abweichung der berechneten von den gemessenen E-Moduln der Probekörper lediglich 3,89 % beträgt. Hierzu wird in das allgemein horizontal geschichtete Modell der aus der Optimierung hervorgegangene Schlankheitsgrad lambda = 0,82 eingesetzt. Somit wird erstmals ein Vorhersagemodell angegeben, dass in der Praxis vorteilhaft einsetzbar ist und auch realistische Werte liefert. Durch eine 'Umkehrung' des Modells ist es nun erstmals möglich, die gemittelten dynamischen elastischen Eigenschaften eines beliebig zusammengesetzten Gesteinskörnungsgemisches schnell und exakt zu ermitteln. Dazu wird das Gesteinskörnungsgemisch in einen in seinen schalltechnischen Eigenschaften bekannten Zementstein eingebracht. Durch die Bestimmung der resultierenden schalltechnischen Eigenschaften dieses Probekörpers kann dann auf die Eigenschaften des Gemisches zurückgerechnet werden. Da die elastischen Eigenschaften der Gesteinskörnung einen maßgeblichen Einfluss auf die elastischen Eigenschaften eines Betons haben, ist die Kenntnis der Eigenschaftswerte der Gesteinskörnung für die Materialentwicklung von besonderem Interesse. Es lassen sich nun sowohl die elastischen Eigenschaften der Gesteinskörnung bestimmen als auch deren Einfluss auf die resultierenden elastischen Eigenschaften beim Einsatz in Beton vorhersagen. Somit können nun zielgerichtet Betone mit vorab definierten elastischen Eigenschaften hergestellt werden. Ein wesentliches 'Nebenergebnis' dieser Arbeit ist die Möglichkeit, mineralische Probekörper herzustellen, die in ihren schalltechnischen Eigenschaften reproduzierbar sind. Auf diese Weise ist es erstmals auch möglich, Referenzprobekörper ('Standards') für die Ultraschallprüfung von Beton herzustellen. Es wird dringend empfohlen, die Möglichkeit zu nutzen, an unterschiedlichen Orten erzielte Ultraschallmessungen durch gleichzeitiges Messen an den Standards vergleichbar zu machen. Derartige Standards sind in der Ultraschallprüfung metallischer Werkstoffe und Bauteile weltweit vereinbart und genormt. Für die Ultraschallprüfung von Beton gibt es Vergleichbares jedoch nicht.
Optimiertes Vorhersagemodell zur Ermittlung der dynamischen elastischen Konstanten von Beton mittels gesicherter Ultraschallmesstechnik
Optimised prediction model for the determination of dynamic elastic constants of concrete by secured ultrasonic testing method
Glaubitt, Andre (Autor:in)
2008
137 Seiten, Bilder, Tabellen, Quellen
Hochschulschrift
Deutsch
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