Table Of ContentComputerkonforme
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
