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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur Belastungsprüfung an
einer Stützkonstruktion
eines Behälters
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur
Durchführung
des Verfahrens gemäß Anspruch
6.
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Behälter, insbesondere
kugelförmige
Druckbehälter,
werden oft auf Stützkonstruktionen
gelagert, die aus einzelnen am Behälter befestigten und in einem
Fundament verankerten Tragteilen bestehen. Die Stabilität der Stützen und
damit der gesamten Stützkonstruktion
bzw. die Standsicherheit der gesamten Anlage aus Stützkonstruktion
und Behälter ist
bei Fertigstellung der Anlage in zeitlich regelmäßig wiederkehrenden gesetzlich
vorgeschriebenen Prüfungen
nachzuweisen. Dabei müssen
als ausschlaggebende Kriterien die realen Belastungen der Stützen und
der Fundamentkonstruktion untersucht werden, um ein Versagen der
Stützkonstruktion
durch Knicken oder Kippen zu vermeiden. Eine Beurteilung des Zustandes
der Stützen
(d.h. insbesondere deren Wanddicken, Korrosionszustand und auftretende Verformungen)
erfolgt bislang unter Verwendung von Ultraschall-Wanddickenmessungen,
bzw. Dehnungsmeßstreifen,
mit denen mit denen die Wanddicke bzw. die Verformungen nachgewiesen
und bestimmt werden. Mit Hilfe der Ultraschall-Wanddickenmessungen
ist es möglich,
Stützen
zu bestimmen, die infolge korrosionsbedingter Wanddickenminderungen in
ihrer Tragfähigkeit
eingeschränkt
sind. Eine Veränderung
der Spannungsverhältnisse
in den Stützen, die
sich z.B. durch Fundamentversetzungen oder Lageränderungen ergeben können, sind
mit diesem Meßverfahren
nicht festzustellen.
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Aus
der
DE 101 10 606
A1 ist ein Verfahren zur kontrollierten Nutzungsdauerverlängerung
von Tragwerken, insbesondere Brücken
offenbart. Bei der dortigen Lösung
wird von einer experimentellen Tragsicherheitsbewertung ausgegangen,
wobei der Tragwerkszustand im Verlauf der weiteren Nutzung auf objektiver
Grundlage zu bewerten ist. Hierfür
werden einerseits Kurzzeitversuche als Funktion von Belastung und
anderen Umwelteinwirkungen durchgeführt. Andererseits erfolgt eine
Langzeitbeobachtung. Während
der Langzeitbeobachtung soll mit Hilfe eines geeigneten Monitoring-Systems
ein Vergleich aktuell gemessener Istwerte mit Grenz- oder Sollwerten
erfolgen, so daß eine
laufende Zustandsbewertung gewährleistet
ist. Dabei gilt es auch, das Belastungsformänderungs-Verhalten in Abhängigkeit
von der Temperatur und anderen Einflüssen mittels statischer Analyse
zu bestimmen.
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Bei
der Vorrichtung zur Bestimmung der Biegebeanspruchung von Bauteilen
nach
DE 199 05 687 A1 ist
in der Biegezugzone und in der Biegedruckzone eines Bolzens jeweils
ein Lichtwellenleiter befindlich. Beide Lichtwellenleiter sind über Koppler
mit einer Lichtquelle und einer Auswerteschaltung verbunden. In
der Auswerteschaltung werden die bei einer Biegebeanspruchung des
Bolzens auftretenden entgegengesetzten Längenänderungen der beiden Lichtwellenleiter
nach dem Prinzip der Interferometrie ermittelt.
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Aus
der
DE 30 15 391 A1 ist
ein Verfahren zur Überwachung
von physikalischen Zustandsänderungen
in Bauteilen vorbekannt. Die dortige Lösung besteht darin, daß in den
zu überwachenden
Zonen der Bauteile Lichtleitfasern so befestigt oder eingelagert
werden, daß die
Anfänge
und Enden der Lichtleitfasern zugänglich sind und die Möglichkeit
besteht, optische Eigenschaften der Fasern laufend oder in Zeitabständen zu
beobachten.
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Für einen
Spannungsnachweis werden nach dem gegenwärtigen Stand der Technik vorzugsweise in örtlich begrenzten
Bereichen auf der Oberfläche der
Stützen
Dehnungsmeßstreifen
an zweckmäßig ausgewählten Meßpunkten
appliziert. Eine solche Methode weist eine Reihe von Nachteilen
auf.
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Im
Allgemeinen wird der Dehnungsmeßstreifen
mittels einer Klebverbindung dauerhaft auf der Stützenoberfläche befestigt
und zeitweise für
Messungen genutzt. Ansonsten verbleibt der Dehnungsmeßstreifen
permanent an der Anlage. Um die Klebverbindung vor Witterungs- und
sonstigen Umwelteinflüssen
zu schützen,
muß der
Dehnungsmeßstreifen
durch geeignete Maßnahmen,
z.B. Verkleidungen, geschützt
werden. Trotzdem ist eine Beeinträchtigung der Funktionsfähigkeit
der Dehnungsmeßstreifen
auch während
der erforderlichen Messung nicht mit Sicherheit zu vermeiden.
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In
Verbindung damit wirkt sich auch die relativ kleine Meßbasis von
etwa 2 bis 3 Zentimeter Länge
der Dehnungsmeßstreifen
nachteilig aus. Die relative Genauigkeit einer registrierten Verformung
ist in erster Näherung
proportional zur Größe der Meßbasis.
Dehnungsmeßstreifen
weisen konstruktionsbedingt eine Meßbasis auf, die nicht größer als
maximal etwa 5 bis 10 Zentimeter ausgeführt werden kann. Sie ist durch
die Länge
des Meßstreifens
begrenzt. Um Dehnungen und Spannungen in der Stützkonstruktion mit einer ausreichenden
Sensitivität
registrieren und messen zu können,
müssen
viele kleine Dehnungsmeßstreifen
an der Konstruktion befestigt und entsprechend aufwändig vor
Witterungseinflüssen
geschützt
werden. Dadurch ist allein die Befestigung derartiger Meßstreifen
kostenaufwändig und
kompliziert.
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Durch
die Dehnungsmeßstreifen
wird eine Dehnung (oder Stauchung) an dem Meßpunkt auf elektrischem Wege
nachgewiesen, indem sich ein Parameter (z.B. Stromstärke, Spannung
oder Impedanz) im Material des Dehnungsmeßstreifens ändert. Das bedeutet, daß die Anordnung
der Dehnungsmeßstreifen
elektrisch aktiv ist und demzufolge gegenüber der Umgebung elektrisch
isoliert sein muß. Weiterer
Aufwand resultiert hier aus der notwendigen Verstärkung der
sehr kleinen elektrischen Signale.
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Vor
diesem Hintergrund ergibt sich somit die Aufgabe, ein Verfahren
zur Belastungsprüfung
an einer Stützkonstruktion
eines Behälters
anzugeben, das die genannten Nachteile weitgehend vermeidet. Dehnungen,
Stauchungen und sonstige Verformungen sollen dadurch schnell, genau
und in hoher Auflösung
registriert werden. Weiterhin soll das Verfahren auch in explosionsgefährdeten
oder anderweitig gefährlichen
Bereichen einsetzbar sein. Eine In-situ-Auswertung der auftretenden
Belastungen in der Stützkonstruktion
soll darüber
hinaus ermöglicht
werden. In Verbindung mit einer hohen Witterungsbeständigkeit
soll die Befestigung der entsprechenden Meßsensorik kostengünstig und
in einfacher Weise ermöglicht
werden.
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Diese
Aufgabe wird mit einem Verfahren bzw. einer Vorrichtung zur Belastungsprüfung an
einer Stützkonstruktion
eines Behälters
gemäß den Merkmalen
des Anspruchs 1 bzw. 6 gelöst,
wobei die Unteransprüche
Weiterbildungen des Hauptanspruches enthalten.
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Grundgedanke
des Verfahrens ist es, mittels einer faseroptischen Deformations-
oder Dehnungsmeßanordnung,
die aus einer Gesamtheit über
die Stützkonstruktion
an einzelnen Meßpunkten
angeordneten faseroptischen Sensoren besteht, Dehnungen und Stauchungen
an einzelnen Meßpunkten
zu messen und in Verbindung mit einer Meßeinheit, einer Temperaturmeßeinheit
und einer Auswerteeinheit mechanische Spannungen an der Stützkonstruktion
nachzuweisen, zu messen und zu überwachen.
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In
Verbindung damit erfolgt eine permanente Meßwertabfrage über die
gemessenen Dehnungen und Stauchungen. Zeitgleich dazu wird in einer
Auswerteeinheit eine auf einem vorgegebenen statischen Modell der
Stützkonstruktion
und den gemessenen Dehnungen/Stauchungen beruhende insitu-Auswertung über zulässige und
gemessene mechanische Spannungszustände, insbesondere zulässige und
gemessene Druckspannungen in der Stützkonstruktion ausgeführt. Es
erfolgen Temperaturmessungen in der Nähe jedes faseroptischen Dehnungssensors.
Als Resultat der ausgeführten
Temperaturmessungen erfolgt sodann in der Auswerteeinheit eine Separation lastbedingter
Verformungen von temperaturbedingten Verformungen der Stützkonstruktion.
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Die
aus dem Stand der Technik bekannten Dehnungsmeßstreifen werden somit im Rahmen
des hier beschriebenen Verfahrens durch faseroptische Dehnungssensoren
ersetzt, die an zweckmäßig ausgewählten Meßpunkten
der Stützkonstruktion
befestigt sind. Anschließend
erfolgt eine fortlaufende Messung der Verformungen auf optischem
Wege, indem die veränderte
Lichtausbreitung innerhalb der faseroptischen Dehnungssensoren gegenüber einem Ausgangszustand
ausgewertet wird. Um temperaturbedingte Verformungen von lastbedingten
Verformungen zu separieren, werden gleichzeitig Temperaturmessungen
ausgeführt
und die aus den Temperaturänderungen
resultierenden Verformungen absepariert. In der Auswerteeinheit
werden aus den gemessenen Verformungen die daraus resultierenden mechanischen
Spannungen errechnet. Dazu wird ein der Stützkonstruktion entsprechendes
statisches Modell zugrunde gelegt, wobei die gemessenen Resultate
als Eingangsgrößen in das
Modell eingehen und das reale Belastungsprofil der Stützkonstruktion
aus dem Modell ausgegeben wird. Das Verfahren kann während des
normalen Betriebs des Behälters
oder bei wiederkehrenden Prüfungen
ausgeführt
werden und die Errechnung des Belastungsprofils geschieht zeitgleich
mit der laufenden Messung, so daß das errechnete Belastungsprofil
das momentan vorliegende Belastungsprofil in Echtzeit wiedergibt.
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„In-situ" bedeutet im folgenden,
daß die
Belastungsprüfung
der Stützkonstruktion
zum einen kontinuierlich während
des Befüllen
und/oder Entleerens der Anlage aus Behälter und Stützkonstruktion erfolgt. Zum
anderen wird damit die mit der Messung zeitgleich erfolgende Umsetzung
der gemessenen Verformungen (Dehnungen, Stauchungen) in real vorliegende
mechanische Spannungen auf der Grundlage einer Auswertung der Meßergebnisse
unter Verwendung eines statischen Modells der Stützkonstruktion beschrieben.
Damit setzt sich dieses Verfahren von den konventionellen Verfahren
zur Belastungsprüfung
an derartigen Stützkonstruktionen ab,
bei denen eine Messung während
des normalen Betriebes aus den oben genannten Gründen nur bedingt möglich ist.
Die faseroptische Dehnungsmeßanordnung
bietet den Vorteil, daß auf
elektrisch aktive Komponenten vollkommen verzichtet wird. Sie ist deshalb
auch in gefährdeten
Bereichen während
des Betriebs mit explosionsgefährdeten
Stoffen problemlos einsetzbar. Die faseroptische Dehnungsmeßsensorik
erlaubt darüber
hinaus eine beträchtlich
vergrößerte Meßbasis durch
die Gestaltung der faseroptischen Dehnungssensoren. Sie ist unempfindlich
gegenüber
Witterungseinflüssen
und benötigt
auch aus diesem Grund keine aufwändige
Abschirmung und Verstärkung.
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Zur
Ausführung
des Verfahrens werden an jeder Stütze der Stützkonstruktion eine Gruppe
faseroptischer Dehnungsensoren gleichmäßig um den Umfang der betreffenden
Stütze
verteilt herum angeordnet, wobei die Längsachse jedes faseroptischen Dehnungssensors
im wesentlichen parallel zur Längsachse
der Stütze
orientiert wird. Die gleichmäßig verteilte
Anordnung der faseroptischen Dehnungssensoren berücksichtigt
die Freiheitsgrade der möglichen
Verformungen einer Stütze
und ermöglicht es,
jede auftretende Verformung in jeder beliebigen Richtung zu detektieren.
Die zur Längsrichtung
der Stütze
parallele Ausrichtung jedes faseroptischen Dehnungssensors berücksichtigt
den Umstand, daß die
größten Dehnungen
bzw. Stauchungen der Stütze
unter der Last des Behälters
und unter der vorherrschenden Konstruktion der Stützkonstruktion
in der Längsrichtung
der Stützen
zu erwarten sind und dort vorwiegend auftreten, während Verformungen senkrecht
zu dieser Richtung in erster Näherung
zu vernachlässigen
sind.
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Die
faseroptischen Dehnungssensoren werden dabei zweckmäßigerweise
in Sensoraufnehmern befestigt, die form- und/oder kraftschlüssig mit
der jeweiligen Stütze
verbunden sind. Die Befestigung der eigentlichen faseroptischen
Dehnungssensoren in den Sensoraufnehmern kann temporär erfolgen,
d.h. während
eines begrenzten und vorübergehenden Zeitraums,
im Allgemeinen während
eines Meßzeitraumes.
Die faseroptischen Dehnungssensoren als der eigentlich sensitive
Teil der Dehnungsmeßanordnung
sind demnach jederzeit in die Stützkonstruktion einzufügen oder
zu entfernen und verbleiben somit nur dann an der Stützkonstruktion,
wenn eine Messung erfolgt oder notwendig ist.
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An
der jeweiligen Stütze
wird in der Nähe
des jeweiligen faseroptischen Dehnungsensors eine Temperaturmessung
zweckmäßigerweise
mittels eines Verfahrens einer verteilten faseroptischen Temperaturmessung
ausgeführt.
Bei diesem Verfahren wird das temperaturabhängige Ramanspektrum einer lichtleitenden
Faser analysiert, die sich in unmittelbarer Nähe zum faseroptischen Dehnungssensor befindet.
Der Vorteil bei diesem Temperaturmeßverfahren besteht darin, daß auch die
Temperaturmeßsensorik
vollkommen elektrisch passiv ausgeführt ist.
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Die
permanente Meßwertabfrage
und die zeitgleiche in-situ-Auswertung werden mit einer Analyseeinheit
ausgeführt,
wobei die durch die faseroptischen Dehnungssensoren bestimmten Dehnungsgrößen in mechanische
Spannungen für
jede einzelne Stütze
und/oder die gesamte Stützkonstruktion auf
der Grundlage eines statischen Modells umgerechnet werden.
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Eine
Vorrichtung zum Ausführen
des beschriebenen Verfahrens enthält eine Anordnung einer Gruppe
gleichmäßig über einen
Umfang jeweils einzelner Stützen
einer Stützkonstruktion
eines Behälters
verteilter faseroptischer Sensoreinheiten mit einer im wesentlichen
parallel zur Längsachse
der jeweiligen Stütze
gerichteten Längsachse.
Eine ferne Meßeinheit
ist kommunikativ mit jeweils einzelnen Stützen zugeordneten Gruppen verbunden.
Eine faseroptische Temperaturmeßeinheit
ist in unmittelbarer Nähe
zu mindestens einer der faseroptischen Sensoreinheiten an der jeweiligen
Stütze
angeordnet. Eine ferne Auswerteeinheit steht in kommunikativer Verbindung
mit der Meßeinheit
und der Temperaturmeßeinheit
und enthält
einen Speicher, ein Meß- und
Steuerprogramm und ein Auswerteprogramm.
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Die
Sensoreinheit besteht aus einem form- und/oder kraftschlüssig mit
der jeweiligen Stütze
verbundenen Sensoraufnehmer und einem in den Sensoraufnehmer temporär befestigten
faseroptischen Dehnungssensor. Während
der Sensoraufnehmer permanent an der Stütze verbleibt und somit eine stets
vorhandene Befestigungsmöglichkeit
für einen bedarfsweise
anzubringenden faseroptischen Dehnungssensor bietet, wird der Dehnungssensor
als das eigentlich sensitive Glied der Sensoreinheit nur vorübergehend
an dem entsprechenden Meßpunkt befestigt
und kann ansonsten anderweitig eingesetzt oder gelagert werden.
Der Sensoraufnehmer selbst ist mit der Stütze, z.B. mittels Schweißnähten verbunden
und kann darüber
hinaus teilweise verkleidet sein.
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Die
ferne Meßeinheit
enthält
mindestens eine lichtemittierende Diode, einen optischen Koppler,
eine Interferometeranordnung und eine Lichtleiterverbindung zu einem
mit den jeweiligen Gruppen der Sensoreinheiten verbundenen optischen
Schalter. Die lichtemittierende Diode bildet eine niedrigkohärente Lichtquelle
dar, der optische Koppler dient zur Einkopplung des Lichtes in den
Strahlengang des Lichtleiters, die Interferometeranordnung der Detektion
der optischen Weglänge
und der optische Schalter zu einem Umleiten des Lichtes auf die
jeweiligen Sensoreinheiten, bzw. die jeweiligen faseroptischen Dehnungssensoren.
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Die
Temperaturmeßeinheit
enthält
mindestens einen Taktgenerator, eine Laserquelle und eine Auswerteeinheit
in Verbindung mit einem Temperatursensorkabel. Der Taktgenerator
sendet getaktete Laserimpulse von der Laserquelle in einzelne Temperatursensorkabel
und gibt ein Zeitmaß für die jeweils
rücklaufenden
aus den Temperatursensorkabel stammenden reflektierten Lichtsignale
vor. Aus den Laufzeitunterschieden zwischen ausgesandtem und reflektiertem
Lichtsignal ordnet die Auswerteeinheit das reflektierte Lasersignal
einem Ort eines spezifischen Temperatursensorkabels zu und ermittelt
somit den Ort der Temperaturmessung. Zweckmäßigerweise ist je ein Temperatursensorkabel
schlaufenartig um je einen faseroptischen Dehnungssensor gelegt,
befindet sich also in unmittelbarer Nähe der entsprechenden Sensoreinheit
oder kann auch einen Bestandteil der Sensoreinheit bilden.
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Die
Analyseeinheit ist in Form eines Personal Computers oder dergleichen
Einrichtung ausgeführt
und enthält
ein intern gespeichertes statisches Modell der Stützkonstruktion,
ein Auswerteprogramm zum Errechnen mechanischer Spannungen in der Stützkonstruktion
auf der Grundlage gemessener Dehnungen und Stauchungen und ein Meß- und Steuerprogramm
zur Steuerung der Meßeinheit
und der Temperaturmeßeinheit.
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Das
Verfahren wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben.
Zur Verdeutlichung dienen die 1 bis 11b.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung eines Behälters mit einer Stützkonstruktion,
versehen mit einer beispielhaften Ausführungsform der Meßanordnung,
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2 eine
schematische Schnittdarstellung einer einzelnen Stütze mit
einer um den Stützenumfang
verteilten Anordnung von Sensoreinheiten,
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3 eine
schematische Darstellung einer an der Stütze befestigten Sensoreinheit
in einer Seitenansicht,
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4 eine
schematische Darstellung einer an der Stütze befestigten Anordnung aus
Sensoraufnehmer und faseroptischem Dehnungssensor,
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5 eine
Abbildung eines Ausführungsbeispiels
einer Anordnung aus 4 mit einer teilweise entfernten
Verkleidung,
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6 eine
Abbildung eines Ausführungsbeispiels
einer Anordnung aus 4 mit einer Verkleidung in der
Umgebung des Sensoraufnehmers,
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7 eine
Abbildung eines Ausführungsbeispiels
einer Anordnung aus 4 mit einer Ansicht eines Sensoraufnehmers
von unten,
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8 ein
Blockschaltbild einer beispielhaften Meßanordnung, umfassend eine
Gesamtheit faseroptischer Dehnungssensoren in Verbindung mit einer
Meßeinheit,
eine Temperaturmeßeinheit
und eine Auswerteeinheit,
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9 eine
Darstellung einer Stütze
mit einer Gruppe von Sensoranordnungen mit gemessenen Dehnungen
in einem Koordinatensystem,
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10a eine beispielhafte Darstellung fortlaufend
aufgezeichneter, zeitlich veränderlicher
Meßwerte
an einer Stütze,
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10b ein beispielhaftes Polardiagramm mit einer
gemessenen Spannungsverteilung an einer ersten Stützkonstruktion,
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11a eine beispielhafte Darstellung des Einflusses
unterschiedlicher Berechnungsmodelle zur Berechnung eines Ausnutzungsgrades
einer Stützkonstruktion
in Abhängigkeit
von einem Füllvolumen
eines Behälters
und
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11b ein weiteres beispielhaftes Polardiagramm
mit einer gemessenen Spannungsverteilung an einer weiteren Stützkonstruktion.
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1 zeigt
in einer schematischen Darstellung eine beispielhafte Meßanordnung.
Auf einer Stützkonstruktion 10,
die aus einer Gesamtheit von Stützen 11 besteht,
welche auf einer Reihe von Fundamenten 12 aufgesetzt sind,
lagert ein Kugelbehälter 15.
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Dieser
ruft durch sein Eigengewicht und das Gewicht seiner Füllung Verformungen
in den einzelnen Stützen
der Stützkonstruktion
und an den einzelnen Fundamenten hervor. Innerhalb der gegebenen Statik
der Stützkonstruktion
werden in den Stützen mechanische
Spannungen hervorgerufen, wobei sowohl die Verformungen, als auch
die Spannungen zu messen, bzw. zu berechnen sind. Aus den gewonnenen
Resultaten werden Aussagen über
die Tragfähigkeit
und Stabilität
der Stützkonstruktion
gewonnen.
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Zu
diesem Zweck weist jede Stütze
mindestens einen, vorteilhafterweise aber mehrere Meßpunkte 20 auf,
an denen jeweils ein faseroptischer Dehnungssensor 21 angeordnet
ist. Mehrere solcher Dehnungssensoren, die sich an einer einzelnen
Stütze 11 befinden,
bilden eine Gruppe von faseroptischen Dehnungsensoren, die gemeinsam
die Verformungen der betreffenden Stütze registrieren. Eine oder
auch mehrere derartiger Gruppen werden von einer Meßeinheit 22 gesteuert.
In der Praxis ist der Auswerteeinheit ein optischer Schalter vorgelagert, der
es gestattet, mit einer einzigen Auswerteeinheit durch entsprechende
Umschaltung eine Vielzahl von Sensoren nacheinander zu vermessen.
Für eine Temperaturmessung
an jeder Stütze
ist jedem faseroptischen Dehnungsensor 21 eine Temperaturmeßeinheit 23 zugeordnet,
wobei das sensorische Element der Temperaturmeßeinheit durch ein Temperatursensorkabel 23d ausgebildet
ist. Wie der schematischen Darstellung aus 1 zu entnehmen
ist, befindet sich je ein Temperatursensorkabel 23d in
unmittelbarer Nähe
zu einem entsprechenden faseroptischen Dehnungsensor 21.
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Über Zuleitungskabel
erfolgt eine Verbindung der faseroptischen Dehnungssensoren mit
den Meßeinheiten 22.
Die Meßeinheiten
weisen Verbindungen zu einer zentralen Auswerteeinheit oder Analyseeinheit 25 auf,
die alle von den faseroptischen Dehnungssensoren 21 einlaufenden
und durch die Meßeinheiten
umgesetzten Meßsignale,
bzw. die von den Temperaturmeßeinheiten
einlaufenden Meßsignale
registriert und auswertet. Während
die Meßsensoriken 21 und 23d unmittelbar
mit den Stützen 11 in Verbindung
stehen, kann die Verbindung zwischen den Meßeinheiten 22 bzw.
den Temperaturmeßeinheiten 23 zu
den Sensoren 21 bzw. 23d, einerseits, bzw. zwischen
den Meßeinheiten 22 und
der Temperaturmeßeinheit 23 und
der Auswerteeinheit andererseits bis zu einigen Kilometern betragen.
Mindestens die Auswerteeinheit 25 kann somit in einer fernen und
zentralen Meßwarte
lokalisiert sein. Die Signalübertragung
zwischen den Meßeinheiten 22 und
den faseroptischen Dehnungssensoren 21, bzw. zwischen den
Temperaturmeßeinheiten 23 und
den Temperatursensorkabeln 23 erfolgt mittels lichtleitender
Verbindungskabel und ist somit elektrisch vollständig passiv. Damit kann die
gesamte Anordnung aus den Einheiten 23 und den Meßsensoriken 21 und 23d in
explosionsgefährdeten
Räumen
ohne weiteres eingesetzt werden, während die elektronisch erfolgende
Datenverarbeitung in der Auswerteeinheit außerhalb des gefährlichen
Bereiches abläuft.
Unter diesen Umständen
ist es zweckmäßig, in
einer zentralen Meßwarte
die Einheiten 22 und 23 neben der zentralen Auswerteeinheit
zusammenzufassen und die entsprechenden Sensoriken 21 und 23d mittels Lichtleitkabeln
zu steuern und zu kontrollieren.
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2 zeigt
eine beispielhafte Anordnung faseroptischer Meßsensoriken an einer Stütze 11 in
einer Schnittdarstellung und einer Ansicht von oben. In 3 ist
eine der Anordnungen in einer Seitenansicht dargestellt.
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Die
Stütze 11 besteht
in diesem Ausführungsbeispiel
aus einem zylinderförmigen
metallischen Stützenkern 11b,
der den eigentlich tragenden Teil der Stütze bildet und einer zusätzlich vorhandenen
Verkleidung 11a, die beispielsweise eine Feuerschutzverkleidung
sein kann, die aus einem Feuerschutzbeton ausgeführt sein kann. An der Stütze 11 sind
die faseroptischen Dehnungssensoren 21 mittels Sensoraufnehmern 30 befestigt,
die wiederum mittels geschweißter
Heftstellen 30b mit der Stütze 11, bzw. dem Stützenkern l1b kraftschlüssig verbunden
sind. Der faseroptische Sensor 21 und der Sensoraufnehmer 30 bilden
eine Sensoreinheit 40. Aus den 2 und 3 ist
die Lage der Sensoreinheit in Bezug auf die Stütze 11 zu entnehmen.
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2 zeigt
eine beispielhafte Anordnung aus drei Sensoreinheiten 40 jeweils
in einem Winkelabstand von 120°,
die über
den Umfang der Stütze 11 somit
gleichmäßig verteilt
sind. Wie zusätzlich
aus 3 ersichtlich ist, wird die Längsachse der Sensoreinheit 40 im
wesentlichen durch den faseroptischen Dehnungssensor 21 gebildet.
Dieser ist parallel zur Längsachse
der Stütze 11 gerichtet.
Die zwischen den Sensoraufnehmern 30 aufgespannte Länge der faseroptischen
Dehnungsensoren 21 bildet die Meßbasis L der Sensoreinheit 40.
Im Gegensatz zu der Meßbasis
von einigen Zentimetern für
den Fall der herkömmlichen
Dehnmeßstreifen
ist die Meßbasis für den faseroptischen
Dehnungssensor 21 etwa 100 mal größer und liegt in der Größenordnung
von 1 bis 2 Metern und mehr, wodurch sich die relative Meßgenauigkeit
beträchtlich
verbessert. Mit faseroptischen Dehnungssensoren der bekannten Bauart werden
Meßauflösungen von
etwa 2 μm
erreicht. Der Dynamikbereich erstreckt sich von -0.5% bei Stauchung
und +1% bei Streckung.
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4 zeigt
in Verbindung mit den 5, 6 und 7 ein
Beispiel einer Befestigung der faseroptischen Dehnungssensoren 21 in
der Sensoreinheit 40. Wie aus 4 zu entnehmen
ist, ist die Sensoraufnahme 30 kraftschlüssig mit
der Stütze 11, insbesondere
mit dem Stützenkern 11b vorzugsweise über Schweißnähte 30b verbunden.
Der Sensoraufnehmer 30 weist eine Führung und Arretierung 30a auf,
in die eine Kopplungsvorrichtung 21b des eingefügten faseroptischen
Dehnungssensors 21 rastend und verschiebungssicher eingesetzt
ist. Die 4 zeigt dazu beispielhaft einen
unteren Abschnitt einer Sensoreinheit 40. In einer dazu
vergleichbaren Weise ist auch das dazu gehörende obere Ende der Sensoreinheit,
d.h. ein oberer Sensoraufnehmer und eine obere Kopplungsvorrichtung
am anderen Ende des faseroptischen Dehnungssensors ausgeführt.
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Bei
der in 4 gezeigten Ausführungsform ist die Führung und
Arretierung 30a nach unten geöffnet und ermöglicht ein
Einführen
eines Zuführungskabels 21a für ein Verbinden
des faseroptischen Dehnungssensors 21 mit einer fernen
Meßeinheit entsprechend
der vorher bereits erfolgten Beschreibungen. Während der Sensoraufnehmer 30 an
der Stütze 11 permanent
verbleibt, kann der faseroptische Dehnungssensor aus der Führung und
Arretierung 30 jederzeit entnommen bzw. in diese eingesetzt
werden. Der eigentlich sensitive Bestandteil der Sensoreinheit 40 ist
somit austauschbar gestaltet, verbleibt demnach nicht permanent
an dem Meßpunkt
der Stütze
und kann somit auch an anderen Stützkonstruktionen verwendet
oder in geschützten Räumen gelagert
werden, wenn keine Messung ausgeführt wird.
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Bei
einer derartigen Ausführungsform
sind die Meßpunkte
stets eindeutig auch dann identifizierbar, wenn die gesamte Meßanordnung
von den Stützen
entfernt wird. Weist die Stütze
eine Isolation 11a auf, beispielsweise eine Verkleidung
aus Feuerschutzbeton oder einem vergleichbaren Material, wird zu
einer nachträglichen
Befestigung der Sensoraufnahmen die Verkleidung 11a an
den gewählten Stellen
entfernt, der Sensoraufnehmer an den Stützekern 11b geschweißt und der
Bereich um den so befestigten Sensoraufnehmer 30 danach
wieder mit einer Verkleidung 11c nachträglich verfüllt. Für alle zeitweise auszuführenden
Messungen wird dann auf die vorhandenen Sensoraufnehmer 30 für eine Befestigung
der faseroptischen Dehnungssensoren zurückgegriffen.
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Die 5 und 6 zeigen
konkrete derartige Ausführungsformen. 5 zeigt
eine Stütze 11, deren
Feuerschutzverkleidung 11a selektiv an einem bestimmten
Bereich entfernt wurde. Der metallische Rohr-Stützenkern 11b liegt
somit frei. An diesem Abschnitt wird der Sensoraufnehmer 30 mittels
verschweißter
Heftstellen 30b befestigt. Anschließend wird der freigelegte Abschnitt
mit einer neuen Feuerschutzverkleidung 11c abgedeckt. Der
Sensoraufnehmer 30 fixiert den faseroptischen Dehnungssensor 21 in
der vorhergehend beschriebenen Weise.
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7 verdeutlicht
an einer Detaildarstellung eine bereits in Verbindung mit 4 beschriebene Ausführungsform
eines Sensoraufnehmers 30. Die in 7 dargestellte
Ausführungsform
weist eine Arretierung und Führung 30a auf,
in welcher die Kopplungsvorrichtung 21b verschiebungssicher
gehalten wird. Zu erkennen ist vor allem das von unten in den Sensoraufnehmer
hinein führende
Zuführungskabel 21a und
der daran anschließende
faseroptische Dehnungssensor 21 im oberen Bildteil.
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Im
Folgenden werden beispielhaft Durchführung und Ausführung einer
Messung beschrieben. 8 zeigt ein beispielhaftes Blockschaltbild
der vorhergehend beschriebenen Anordnung. Die faseroptischen Dehnungssensoren 21 weisen
eine Meß-
und eine Referenzfaser 21c und 21d auf, die von
der Meßeinheit 22 mit
Strahlungsenergie versorgt werden, und reflektierte Lichtstrahlung über das
Zuführungskabel 21a an
die Meßeinheit 22 abgeben.
In der Meßeinheit 22 wird
durch eine lichtemittierende Diode 22a gering kohärentes Licht
mit einer üblichen Leistung
von etwa 0.2 mW, einer Wellenlänge
von 1300 nm und einer Kohärenzlänge in der
Größenordnung
von 30 μm über einen
optischen Koppler 22b in eine Monomodefaser eingekoppelt
und anschließend in
die unterschiedlichen optischen Wege für Meß- bzw. Referenzfaser 21c und 21d geteilt.
Beide Fasern weisen verspiegelte, das Licht reflektierende Stirnflächen auf.
Hierbei ist die Referenzfaser so ausgebildet, daß diese nicht gestreckt oder
gestaucht wird und ihre optische Weglänge beibehält. Das reflektierte Licht
aus Referenz- und Meßfaser
enthält dann
Informationen über
den Unterschied der optischen Weglängen zwischen Meßfaser 21c und
Referenzfaser 21d, die ein Maß für eine Dehnung oder Stauchung
der Meßfaser
im Vergleich zur unbeeinflußten
Referenzfaser ist.
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In
der Meßeinheit
wird ein veränderter
optische Weglängenunterschied
in einer Interferometeranordnung 22c über die Detektion von Interferenzmaxima
mittels einer Photodiode bestimmt und als ein so bestimmter Verformungswert
an die Auswerteeinheit übermittelt. Üblicherweise
ist die Interferometeranordnung als ein Allfaser-Michelson-Interferometer
in Tandem-Ausführung
ausgebildet. Ein derartiges System aus Meß- und Referenzfaser mit der
entsprechenden Meßeinheit
ist in jedem Fall nullpunktstabil, unempfindlich gegenüber Korrosion,
Feuchtigkeit, Schwingungen und elektromagnetischen Feldern und arbeitet
darüber
hinaus temperaturkompensiert, da thermische Veränderungen in der Faserlänge gleichermaßen Meß- und Referenzfaser
betreffen. Wie beschrieben, enthält
die Anordnung aus Meß- und
Referenzfaser und die Lichtzuleitung 21a keinerlei elektronische
Bauelemente, wobei ein optischer Schalter 22e das Licht
den einzelnen faseroptischen Dehnungssensoren einer Sensorengruppe
an einer Stütze
oder auch mehreren Sensorengruppen zuführt.
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In
Verbindung damit wird die Temperatur der Stützen fortlaufend bestimmt.
Dazu kommt ein Verfahren einer verteilten faseroptischen Temperaturmessung
zur Anwendung, das auf der an sich bekannten OTDR-Methode basiert.
OTDR steht für „Optical-Time-Domain-Reflectometry" und bezeichnet eine
zeitaufgelöste
Analyse des aus einem Temperatursensorkabel reflektierten Lichtes.
Die Temperaturmeßeinheit
weist neben dem Temperatursensorkabel 23d einen Taktgenerator 23a,
eine Laserquelle 23b und eine Auswerteeinheit 23c auf.
Dabei erzeugt die Laserquelle in Verbindung mit dem Taktgenerator Laserlichtimpulse,
die in das Temperatursensorkabel eingekoppelt werden. Das Rückstreuspektrum
aus dem Temperatursensorkabel enthält Informationen über die
mittlere Temperatur des Längenabschnittes, aus
dem das rückgestreute
Licht während
eines Zeitfensters stammt. In der Auswerteeinheit 23c wird
die spektroskopische Auswertung des rückgestreuten Lichtsignals mit
einer Laufzeitmessung des Laserimpulses im Lichtwellenleiter zwischen
Laserquelle und Temperatursensorkabel verknüpft. In Analogie zum Radarprinzip
werden somit Temperaturwerte verschiedener Längenabschnitte, d.h. verschiedener Temperatursensorkabel
an verschiedenen Meßpunkten
der Stützkonstruktion
nacheinander abgefragt.
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Die
Temperaturmeßeinheit 23 und
die Meßeinheit 22 übertragen
die entsprechenden Meßwerte an
eine Auswerteeinheit 25. Diese enthält einen Speicher 25b mit
einem Auswerteprogramm 25b zum Errechnen mechanischer Spannungen
der Stützkonstruktion
auf der Grundlage der gemessenen Dehnungen und Stauchungen und ein
Meß- und Steuerprogramm 25c zur
Steuerung der Temperaturmeßeinheit
und der Meßeinheit.
Natürlich
verfügt
die Auswerteeinheit über
Mittel zum Anzeigen der gemessenen und errechneten Resultate, insbesondere Displays
der bekannten Art. Die Auswerteeinheit kann durch einen mobilen
oder stationären
PC ausgebildet sein.
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Zusätzlich zu
den beschriebenen Vorrichtungen weist die gesamte Meßanordnung
Mittel zu einer Füllstandsmessung
des Behälters
auf. Die Resultate der Füllstandsmessung
werden ebenfalls an die Auswerteeinheit geleitet.
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Die
Messung erfolgt zweckmäßigerweise permanent
während
eines Befüllbzw.
Entleerprozesses des Behälters
nach einem vorab festgelegten Ablauf. Die ermittelte Messgröße ist die
Dehnung der faseroptischen Dehnungssensoren innerhalb der Gruppen
der Sensoreneinheiten an den einzelnen Stützen in der vorhergehend beschriebenen
Sensorachse. Diese Dehnung setzt sich aus Dehnungen infolge der
Auflast (Eigengewicht und Gewicht aus der Behälterfüllung) und Dehnungen infolge
Temperaturänderungen
in der Stütze
im zeitlichen Verlauf zusammen. Die Temperaturdehnung ist zunächst zu
eliminieren. Bei Messungen auf der Oberfläche von Feuerschutzverkleidungen
ist zu berücksichtigen, daß sich die
Temperatur auf der Meßoberfläche von der
realen Temperatur im eigentlichen Stützenmaterial unterscheidet.
Der Temperaturverlauf an der Stütze
erfolgt zeitversetzt zum Temperaturverlauf auf der Feuerschutzverkleidung.
Weiterhin ist der Betrag der Temperaturänderung auf der Oberfläche der
Feuerschutzverkleidung größer als
im Stützenmaterial
im Kern der Stütze.
Der gemessene Dehnungsverlauf in Abhängigkeit vom aktuellen Füllstand
weist dadurch eine Verschiebung der Knickpunkte (Übergänge zwischen
Halte- und Befüllungsphasen)
und Anstiegsänderungen
auf.
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9 zeigt
in einem Diagramm grundlegende Meßgrößen an einer Stütze 11 in
einer beispielhaften Anordnung aus einer Gruppe von drei Sensoreinheiten 40.
Die temperaturkompensierten Dehnungswerte aus der Gruppe der faseroptischen
Dehnungssensoren werden anschließend in ein festgelegtes Koordinatensystem
(X,Y,Z) transformiert. Dabei wird für jede Stütze 11 jeweils eine
resultierende Dehnung in Richtung einer Normalkraft der Stützen δLN sowie in Richtung der Biegemomente Mx und My (δLMx und δLMy) bestimmt, wobei der Radius R der betreffenden
Stütze
und die radiale Abmessung des Sensoraufnehmers d der jeweiligen
Sensoreinheit in die Berechnung eingeht. Aus den transformierten Dehnungsgrößen δLN, δLMx und δLMy werden unter Berücksichtigung der Ergebnisse
der Ultraschall-Wanddickenmessung die resultierenden Druckspannungen
in den Stützen
ermittelt. Diese setzen sich aus der Spannung infolge des Eigengewichtes
des aufliegenden Behälters
und der Dehnungsspannung infolge der Behälterfüllung zusammen. Zur Beurteilung
der Standsicherheit einer vermessenen Stützkonstruktion mit einem gegebenen Behälter wird
die aus der Dehnungsmessung ermittelte Druckspannung mit einer Sollspannung
verglichen. In die Berechnung der Sollspannungen, die zum Vergleich
herangezogen werden, gehen neben den Materialkonstanten ebenfalls
die Ergebnisse der Ultraschall-Wanddickenmessung ein.
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Die
Grundlage bildet hierfür
die gegebene Statik des Behälters
sowie der Stützkonstruktion.
In die Berechnung gehen die tatsächlich
bestimmten Wanddicken der Stützen
und der jeweilige Füllgrad des
Behälters
ein. Bei der erfindungsgemäßen In-situ-Auswertung
wird der Füllzustand
aus den Meßwerten
eines nicht bildlich dargestellten Füllstandsmessers innerhalb des
Behälters über eine
Schnittstelle in den Berechnungsalgorithmus eingelesen.
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Bei
einer zeitgleich während
der Messung erfolgenden In-situ-Auswertung werden die realen Druckspannungen
und die dazu gehörenden
Sollspannungen sowie ein ermittelter Toleranzbereich als Funktion
des Füllzustands
quasi in Echtzeit ermittelt und miteinander verglichen. Kritische
Belastungszustände
werden somit sofort erfaßt
und das Belastungsregime kann umgehend angepaßt werden. Es bietet sich hier
die Möglichkeit,
mittels einer hochpräzisen
Hebetechnik die Stützen
auszurichten und die Änderung
des Belastungszustandes umgehend zu überprüfen.
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Die 10a und 10b zeigen
beispielhafte Resultate des vorhergehend beschriebenen Verfahrens
bei einer Messung an einem Kugelbehälter mit einem lichten Durchmesser
von D = 17.9 m. 10a zeigt in einem Diagramm
einen zeitlichen Verlauf einer Stützentemperatur T, einer mittleren Verformung
an einer beispielhaften Stütze
und eines Füllstandes
im Behälter.
In diesem Beispiel wurden jeweils 3 Sensoreinheiten 40 in
einem Winkelabstand zu je 120° an
jeder Stütze
bei einer Stützkonstruktion von
insgesamt achtzehn Stützen
installiert. Die aktive Meßbasis
L der faseroptischen Dehnungssensoren betrug 2 m. Die Messung und
Auswertung erfolgte in situ während
einer Befüllung
des Behälters
mit Flüssigammoniak.
Zunächst
wurde der Kugelbehälter
im wesentlichen kontinuierlich auf 92% des Gesamtvolumens gefüllt. Bei
einem Füllvolumen
von 65% und einem Füllvolumen
von 85% wurde an den Punkten A und B jeweils eine Haltephase von
etwa 1 Stunde im Befüllprozeß eingelegt.
Die Befüllung
des Behälters
mit 92% Füllvolumen
wurde anschließend über einen
Zeitraum von 12 Stunden während
des Zeitraums C konstant gehalten. Danach folgte eine Entleerung
E bis auf ein Füllvolumen
von 75%. Anschließend
folgte ein erneutes Füllen
in einem Zeitraum F auf ein Füllvolumen
von 95% gefolgt von einer Entleerungsphase auf einen Füllzustand
von 85%.
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In 10a ist der Tagesgang der Temperatur während der
Meßperiode,
das Füllregime
und beispielhaft der gemessene Verformungsverlauf in Richtung der
Normalkraft für
eine ausgewählte
Stütze
mit bzw. ohne Temperaturkompensation aus einer derartigen in-situ-Auswertung
gezeigt. Der Einfluß einer Temperaturkompensation
wird aus der Darstellung in 10a besonders
deutlich.
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Aus
den Druckspannungen können
die Druckspannungen nach einem, z. B. als „ω"-Verfahren bekannten statischen Berechnungsverfahren
für jede
einzelne Stütze
bestimmt werden. Diese ermittelten Druckspannungen werden mit einer
Sollspannung verglichen, die als die Spannung definiert ist, bei
der alle Stützen
gleichmäßig belastet
sind. Unterschiedliche Sollspan nungen ergeben sich hierbei durch
unterschiedliche Wanddicken der Stützen, z.B. bei auftretenden
Korrosionen. Ebenfalls wird ein Toleranzbereich festgelegt. 10b zeigt in einem Polardiagramm beispielhaft
eine so ermittelte Druckspannung, eine Sollspannung und einen Toleranzbereich
für einen
Befüllungsgrad
von 75% für
jede der achtzehn Stützen
der beispielhaften Stützkonstruktion
an. Dabei wird die unterschiedliche Verteilung der Lasten über den
Umfang der achtzehn Stützen
in der Stützkonstruktion
deutlich. Beispielsweise ist ersichtlich, daß die Stützen mit der Nummer 2 bzw.
15 in dem Polardiagramm deutlich höhere Lasten aufnehmen, während die
Stützen
mit den Nummern 7, 16 und 18 deutlich kleinere Lasten im Vergleich
zur jeweiligen Sollspannung aufnehmen. Für jede der hier beispielhaft
vermessenen achtzehn Stützen
ermöglicht
das hier beschriebene Verfahren eine in-situ-Überwachung der Verformungen
und mechanischen Spannungen an jeder einzelnen Stütze in ihrem
zeitlichen Verlauf und ein rechtzeitiges Erkennen kritischer Belastungssituationen.
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Die 11a und 11b zeigen
weitere beispielhafte Resultate des hier beschriebenen Meßverfahrens.
Der in diesem zweiten Beispiel vermessene Kugelbehälter mit
einer Stützkonstruktion
aus zwölf Stützen weist
ein Volumen von 1000 m3 und einen Innendurchmesser
von 12.4 m auf. Der Kugelbehälter besitzt
beispielhaft eine etwa 40mm dicke Brandschutzisolierung. Die Meßanordnung
erfolgte wie bei dem in Bezug auf die 10a und 10b genannten Ausführungsbeispiel mit einer Gruppe
von jeweils drei gleichmäßig um den
Stützenumfang
verteilten Sensoreinheiten. Die Auswertung der gemessenen Verformungen
erfolgte wie in Verbindung mit 9 beschrieben.
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Im
Rahmen dieses Ausführungsbeispiels wurde
die Berechnung der Druckspannungen anstelle des als „ω"-Verfahren bekannten
Verfahrens mittels eines nach DIN 18800 standardisierten Ersatzstabverfahrens
nach der „Theorie
der II. Ordnung" ausgeführt. Das
diesem Verfahren zugrunde liegende Sicherheitskonzept unterscheidet
sich von dem in der Stammstatik geführten Nachweisen knickgefährdeter
Druckglieder. Beim Vergleich der beiden Nachweisverfahren anhand
einer theoretischen Ausnutzung (Verhältnis von theoretischer Sollspannung
zur Streckgrenze des Stützen materials)
wurde in diesem Beispiel für
den Lastfall einer Wasserfüllung
mit einem Füllgrad
von 100% mit dem „ω"-Verfahren ein Ausnutzungsgrad
von 0.95 und mit der „Theorie
der II. Ordnung" von
1.03 ermittelt. Bei einer Berücksichtigung
einer Kugelverformung im Lastfall „Prüfdruck" (hier entspricht der Prüfdruck vorschriftsmgemäß dem 1.3
fachen des Betriebsdruckes) ergibt sich nach der Theorie der II.
Ordnung ein Ausnutzungsgrad von 1.13. Es kann somit der Fall eintreten,
daß Sicherheitsgrenzwerte
erreicht, bzw. überschritten werden,
wobei bei einer meßtechnischen
Begleitung des Befüllprozesses
und der Druckprüfung
und eine gleichzeitige in-situ-Auswertung die tatsächliche
Belastung der Stützen
ermittelt werden kann und sofort nachweisbar ist, ob eine Lastverteilung
stattgefunden hat und es somit an einzelnen Stützen eher zum Erreichen und Überschreiten
der Sicherheitsgrenze kommt. 11b verdeutlicht
beispielhaft eine Lastverteilung über die Stützkonstruktion von 12 Stützen für dieses
Anwendungsbeispiel.
-
- 10
- Stützkonstruktion
- 11
- Stütze
- 11a
- Verkleidung
- 11b
- Stützenkern
- 11c
- neue
Verfüllung
- 12
- Fundament
- 15
- Behälter
- 20
- Meßpunkt
- 21
- faseroptischer
Dehnungssensor
- 21a
- lichtleitendes
Zuführungskabel
- 21b
- Kopplungsvorrichtung
- 21c
- Meßfaser
- 21d
- Referenzfaser
- 22
- Meßeinheit
- 22a
- lichtemittierende
Diode
- 22b
- optischer
Koppler
- 22c
- Interferometeranordnung
- 22d
- Photodiode
- 22e
- optischer
Schalter
- 23
- Temperaturmeßeinheit
- 23a
- Taktgenerator
- 23b
- Laserquelle
- 23c
- Auswerteeinheit
- 23d
- Temperatursensorkabel
- 25
- Auswerteeinheit
- 30
- Sensoraufnehmer
- 30b
- Schweißnaht, Heftstelle
- 40
- Sensoreinheit