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Druckmessdose (Spannungsmessung)

Druckmessdose der Fa. Interfels in Seitenansicht (oben) und Aufsicht (unten). Quelle: Interfels

Man versteht im weiteren Sinne unter einer Druckmessdose (engl.: TPC - total pressure cell) eine geländetaugliche Messvorrichtung mit einem Druckkissen als Messaufnehmer.

Messverfahren

Seitens der Internationalen Gesellschaft für Felsmechanik existiert eine Empfehlung zur Durchführung von Spannungsmessungen mittels Druckmessdosen (ISRM 1980). Als Vorleistung für die europäische Normung wurde in Deutschland die DIN 4107, Teil 4 „Druckkissenmessungen“ 2012 veröffentlicht. Aktuell wird ein entsprechender europäischer Standard erarbeitet.

Ziel ist die Erfassung der Änderung derjenigen Normalspannung sn, die vom Medium auf die flache Seite des Messaufnehmers einwirkt. Druckmessdosen können damit nur eine Komponente des Spannungszustands erfassen. Mit Hilfe mehrerer an einem Messort platzierter und unabhängig voneinander orientierter Druckmessdosen lassen sich auch 2-D und 3-D Spannungszustände ermitteln. Dabei sind für 2-D Spannungszustände mindestens drei, für 3-D mindestens sechs unabhängig orientierte Druckmessdosen erforderlich.

Eine Druckmessdose besteht aus zwei Stahlplatten oder –blechen die am Rand miteinander verschweißt sind. Der entstehende abgeschlossene Hohlraum ist vollständig mit einer Flüssigkeit gefüllt. Die Messdose ähnelt damit einem sehr flachen flüssigkeitsgefüllten Kissen. Mittels einer kurzen Druckleitung ist das Kissen mit einer Vorrichtung verbunden, über die der Flüssigkeitsdruck p des Kissens gemessen werden kann. Es wird angenommen, dass eine Proportionalität zwischen p und der auf das Kissen einwirkenden Normalspannung sn besteht und somit Gleichung (4.2-1) gilt.

Dsn, = pF – pR

mit: pF = Kissendruck bei einer Folgemessung und pR = Kissendruck in der Referenzmessung.

Bewertung

Spannungsänderungsmessungen mittels Druckmessdosen werden vielfach als höchst problematisch angesehen. Manche sehen die Nachteile dieses Messverfahrens als so gravierend an, dass generell von ihm abgeraten wird:

  • „Attempts to measure total stress within a soil mass are plagued by errors. .... it is usuall impossible to measure total stress with great accuracy, and realistic applications are rare.“ (Dunnicliff 2012, p. 14).
  • “Forget about pressure cells in general and there is a very good reason for doing so.”(Høeg, 2000).

Der wesentliche Grund für diese kritische Einstellung ist die schwierig herzustellende und zu gewährleistende Konformität zwischen Druckmessdose und umgebendem Medium (Dunnicliff 1993; Dunnicliff 1996). Idealerweise sollte die Existenz eines Messinstruments die zu messende physikalische Größe nicht beeinflussen. Dies ist jedoch gerade im Falle von Druckmessdosen kaum möglich, da die Steifigkeit der Druckmessdose in der Regel nicht mit der des umgebenden Gebirges in Übereinstimmung zu bringen ist und damit entweder systematisch zu hohe (Überregistrierung) oder zu niedrige Spannungen (Unterregistrierung) angezeigt werden.

Vorteile

Bedingt geeignet zur Messung sekundärer Spannungszustände (Spannungsänderungen)

  • Direktes Messverfahren, keine Materialkennwerte (z.B. E-Modul) erforderlich
  • Kann als Kompensationsverfahren ausgeführt werden ( = vorteilhaft für die Gewährleistung der Langzeitstabilität der Messsensoren)
  • Einfaches, robustes und eingeführtes Messverfahren
  • Im Verein mit Piezometer (s. 4.2.2) können auch effektive Spannungen ermittelt werden.

Nachteile

Ungeeignet zur Messung primärer (absoluter) Spannungszustände, mangelnde Konformität: Die Existenz der Druckmessdose beeinflusst im hohen Maße das, was eigentlich gemessen werden soll („Über-“ bzw. „Unterregistrierung“).

  • Extrem empfindlich gegenüber Einbaufehlern.
  • Temperatur empfindlich
  • Nicht sinnvoll einsetzbar in steifen Medien mit einem E > ~30 GPa

 Literatur

H. Bock, Arbeitsbericht NAB 14-30 „Oberflächennahe Spannungsmessungen in der Nordschweiz und den angrenzenden Gebieten“ 2014

Dunnicliff, J. (1993). Geotechnical instrumentation for monitoring field performance. – 577 p., New York (Wiley)

Dunnicliff, J. (1996). Discussions of Karkheh Dam Instrumentation System – Some Experiences. Geotechn. News, 24: 34-43, Richmond B.C. (BiTech Publ.).

Dunnicliff, J. (2012). Types of geotechnical instrumentation and their usage. - Manual of Geotechnical Engineering, Chapter 95: 1-25, London (Institution of Civil Engineers).

Franz, G. (1958). Unmittelbare Spannungsmessung in Beton und Baugrund. – Der Bauingenieur, 33: 190-195.