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Messen kleiner Größen

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Talsperrenmesstechnik (1)

Staumauern und Staudämme sind Absperrbauwerke von Talsperren.

StaudämmeStaudämme werden aus Erd- oder Steinmaterial aufgeschüttet. Die Böschungen sind relativ flach. Die Böschungsneigungen liegen im Bereich von 1:2 bis 1:4.

StaumauernStaumauern werden aus Beton oder Mauerwerk hergestellt; deshalb haben sie eine relativ kleine Aufstandsfläche und steile Wasser- und Luftseiten. Die Wasserseite ist meistens sogar senkrecht. Entsprechend treten in der Aufstandsfläche von Staumauern sehr hohe Lasten auf, so dass der Untergrund größere Kräfte aufnehmen können muss.Staumauern teilen sich auf in:

• Gewichtsstaumauern, • Bogenstaumauern und• Bogengewichtsmauern.

GewichtsstaumauerGewichtsstaumauern sind standfest durch ihr Eigengewicht, wohingegen Bogenstaumauern dem Wasserdruck durch die Abstützung an den Talflankenstandhalten. Der Querschnitt einer Gewichtsstaumauer ist ungefähr dreieckförmig mit einer nahezu senkrechten Wasserseite. Das Verhältnis von Sohlenbreite zu Höhe ist üblicherweise 2:3. Größere Gewichtsstaumauern haben im allgemeinen einen oder mehrere Kontrollgänge, in denen sich Drainagen und Messinstrumente zur Überwachung befinden.

Gewichtsstaumauern eignen sich in breiten, weniger tiefen Tälern mit schwach geneigten Talflanken, während enge Täler mehr für Bogenstaumauern geeignet sind. Sie benötigen guten, standfesten Baugrund aus Fels. Bei ungünstigem Baugrund wird ein Staudamm bevorzugt. Die Wahl des Sperrentyps hängt außerdem von der Verfügbarkeit der Zuschlagstoffe für den Beton bzw. des Schütt- und Dichtungsmaterials für einen Damm ab.

Gewichtsstaumauer Bogenstaumauer

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Kölnbreinsperre in Österreich

BogenstaumauerEine Bogenstaumauer besteht grundsätzlich aus Stahlbeton,mitunter aus Spannbeton. Sie ist im Vergleich zu ihrer Höhe sehr schlank. Bogenstaumauern sind im Grundriss und meistens auch im Querschnitt wie ein Bogen gekrümmt und stützen sich auf beiden Seiten an den Talflanken ab. So wird die horizontale Wasserlast in den Untergrund abgetragen.

Gewichtstaumauer der Edertalsperre

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Gesetzliche Regelungen

• DIN 19700, Teil 10 legt u.a. fest, dass zur Beurteilung der Stand- und Betriebssicherheit einer Stauanlage entsprechende Mess- und Überwachungssysteme anzulegen sind.

• Das DVWK-Merkblatt 222/1991 „Mess- und Kontrolleinrichtungen zur Überprüfung der Standsicherheit von Staumauern und Staudämmen“ enthält hierzu Einzelheiten zur Artund Weise und zur Ausführung von Überwachungsvermessungen.

(DVWK: Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau)

Die Messsysteme sind nach DIN so zu konzipieren, dass mit denMessungen und Beobachtungen in jedem Bau-, Stau- und Betriebszustand zuverlässig:

• Sickerwasserdruck bzw. Sickerwasserverluste,• Bewegungen, Spannungen und Verformungen des Bauwerks, sowie• Sohlen- und Porenwasserdruck

erfasst werden können.

Verformungs- und Bewegungsmessungen

Geometrische Messverfahren an Talsperrren gliedern sich in:

• optische Verfahren (Geometrisches Alignement)• trigonometrische Messverfahren (Verwendung von Theodoliten bzw. Tachymetern)• mechanische Messverfahren mit optischer Ablesung• automatisierte Messverfahren mit elektronischem Abgriff

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Geometrisches Alignement mit Alignierausrüstung

Verlagerungen einer Staumauerkrone rechtwinklig zur Achse können sehr präzise mit speziellen Alignementsausrüstungen gemessen werden. Das Alignierinstrument wird dabei auf einem von zwei Messpfeilern in Verlängerung der Staumauerachse, außerhalb des Bauwerks positioniert. Das Aligniergerät ähnelt einem Theodolit, besitzt aber keine Teilkreise. Das hochauflösende Fernohr (Vergrößerung 60 – 80 fach) ist nicht „durchschlagbar“. Kippachsfehlerauswirkungen können durch sorgfältige Horizontierung der Kippachse mittels einer Reiterlibelle (Benutzung in zwei Lagen) verhindert werden. Der zweite Punkt zur Verkörperung einer Alignementsachse besteht ebenfalls aus einem stabilen Pfeiler auf der gegenüberliegenden Talhangseite. Dort wird eine Zieltafel aufgestellt. Die Messpunkte auf der Staumauer sind üblicherweise als Bodenpunkte ausgebildet, die zwangzentriertes Positionieren von Alignierzielzeichenüber den Bodenmarken ermöglichen. In der Regel findet als Zwangszentrierung eine als „Freiberger Kugel“ bezeichnetes System Anwendung. Die Alignierzieltafeln ähneln konventionellen Zielzeichen, sind allerdings zusätzlich mit eine Vorrichtung zum Verschieben der Zieltafel und einer Ableseeinrichtung ausgestattet. Der Beobachter am Instrument weist einen Helfer an den Zielzeichen jeweils ein, die Zieltafel so zu verschieben, dass das Zentrum der Tafel sich in der Ziellinie befindet. Die Ermittlung der Lageabweichungen beispielsweise zu einer Nullmessung erfolgt durch Ablesung der Verschiebungsbeträge über eine Noniusskala an der Alignementszieltafel.Die erreichbaren Genauigkeiten liegen im Bereich von 0,2 – 1 mmim Entfernungsbereich von 50 – 500 m.

Messpfeiler außerhalb der Staumauer

Alignierinstrument Reiterlibelle

Alignierzieltafel

verschiebbar gegenüber Bodenpunkt

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Zwangszentrierungssystem „Freiberger Kugel“

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Setzkegel


Trigonometrisches Alignement

Die horizontale Krümmung vieler Staumauern verhindert die Anwendung des geometrischen Alignements. Stattdessen wendet man in solchen Fällen das trigonometrische Alignement an.Indem die Winkel der Alignementspunkte zu Festpunkten außerhalb der Staumauer gemessen werden, können unter Ansatz der einmal bestimmten Strecken si die radialen Verlagerungsbeträge ri0 in Bezug auf eine Nullmessung ausreichend genau nach der Bogenformel berechnet werden.

Alignierzieltafel mit Standrohr zwangszentriert auf Setzkegel

Da bei gekrümmten Staumauern die seitlichen Brüstungsmauern auf der Krone kein direktes Anzielen der Messpunkte ermöglichen, verwendet man für die zwangszentrierteAufstellung der Zieltafeln sogenannte Setzkegel-zapfen als Bodenvermarkungen und dazu passende Standrohre mit Zieltafeln.

ii

i sr ⋅−

=Δραα )( 0

0 emessungFobeiWinkelgNullmessunbeiWinkel

i lg0

==

αα

FP2

FP3

AE

FP1

Pαi si

α0∆ri0

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Polygonzug „ohne Streckenmessung“

Alternativ zum trigonometrischen Alignement können radiale Staumauerverlagerungen nach der Methode „Polygonzug ohne Streckenmessung“ bestimmt werden. Für die Berechnung der Verschiebungsbeträge ∆r brauchen die Strecken si nur einmal bei der Nullmessung mit Mess-bandgenauigkeit ermittelt werden. Die Verschiebungsbeträge werden dann nach der Bogenformel berechnet.

Der Vorteil gegenüber den zuvor beschriebenen Alignementsverfahren ist, dass die Genauigkeit der ermittelten Verschiebungsbeträge Δxi wegen der relativ gleichen und zudem kurzen Zielweiten homogener ist. Andererseits sind auf den AlignementspunktenTheodolitstativaufstellungen erforderlich, die mit unvermeidlichen Zentrierungenauigkeiten behaftet sind und damit die Genauigkeit der Messungen verschlechtern. Verschiebungsbeträge in Längsrichtung der Staumauer (y-Richtung) lassen sich natur-gegebenermaßen wegen der nicht durchgeführten Streckenfolgemessungen nicht ermitteln. Diese sind allerdings überwachungstechnisch auch nicht so von Interesse wie Bewegungen quer zur Längsausrichtung der Mauer.

1011111

11011

1 ;)()( βββρβ

ρββ

−=Δ⋅Δ

=⋅−

=Δ ssx

212

1212021

12)()( sxsxx ⋅

Δ−Δ+Δ=⋅

Δ−−+Δ=Δ

ρββ

ρβββ

010 ;0: iiimit ββββ −=Δ=Δ∑−=

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−⎟⎟⎠

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Δ−Δ+Δ=Δ

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1

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iPunktemessungFobeiinkelBrechungswiPunktgNullmessunbeiinkelBrechungsw

i

i

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323

2323031

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Δ−Δ+Δ=⋅

Δ−−+Δ=Δ

ρββ

ρβββ

Fern

ziel

A E

β10P1

P2β20

β21β!1

Δβ1

Δβ1

s1

s2 s3

Δβ2β10

Δx1 Δx2

β31

β30Δβ3

Δβ2

X

Y

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Trigonometrische Messverfahren

Messpunkte an der Brüstung der Staumauerkrone und eventuell in verschiedenen Höhenebenen auf der luftseitigen Stirnfläche der Mauer lassen sich aus dem Tal auch trigonometrisch beobachten. Als Festpunkte dienen Beobachtungspfeiler im Vorfeld der Mauer. Von einigen dieser Beobachtungspfeiler werden die Mauerbolzen direkt angemessen, während die rückwärtigen Pfeiler allein der Sicherung des Lagenetzes dienen. Zur zusätzlichen Kontrolle lokaler Pfeilerbewegungen dienen Sicherungspunkte in unmittelbarer Nachbarschaft der Beobachtungspfeiler. Durch die Einbeziehung von Fernzielen (weit entfernt liegende Festpunkte, deren Koordinaten nicht oder nur näherungsweise bekannt sein müssen) wird die Orientierung des Überwachungsnetzes verbessert. Die Koordinatenberechnung erfolgt zweckmäßigerweise über eine Netzausgleichung.

Wasserseite Staumauer

Fern

ziel

Festpunktpfeiler

Mauerbolzen

Sicherungspunkte

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Draht-Alignement

In den Kontrollgängen im Innern von Staumauern werden zweckmäßig stationäre Messeinrichtungen zur Messung von Verlagerungen und Verformungen installiert.

Beim Alignement mittels eines gespannten Drahtes wird die zeitliche Veränderung der Drahtposition relativ zu Zwischenpunkten an der Kontrollgangwandung ermittelt. Die Positionsmessung des Drahtes kann mechanich, optisch oder automatisiert elektronisch ausgeführt werden. Die Genauigkeit von Drahtalignements ist < 1mm.

Messskala

Messzeiger

Flüssigkeitsbehälter

SchwimmerGespannter Alignementsdraht

SchwimmerUmlenkrolle Gespannter Alignementsdraht

Spanngewicht

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Optisches Draht-Alignements-Positionsmeßgerät (Fa. Glötzl)

Alignementsdraht

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Lotdraht

Ableseeinrichtung

Einspannungin der Staumauerkrone

Gewichtslot

Mit einem mechanischem Lot können auf recht einfache Art und Weise Relativ-bewegungen zwischen übereinanderliegen-den Punkten gemessen werden.

Vorraussetzung für die Anwendbarkeit von Loten sind senkrechte Schächte oder Bohrungen zwischen Kontrollgängen unterhalb der Staumauerkrone und im Staumauerfuß.

Das Lotgewicht (5-20 kg) wird dabei mit einem 0,5 – 1,5 mm starken, rostfreiem Draht an der Staumauerkrone befestigt.

Zur Dämpfung von erschütterungsinduzierten oder durch Luftströmungen hervorgerufenen Bewegungen des Lotes taucht man das Gewicht in ein Gefäß mit Öl ein.

Die Erfassung der Lotdrahtposition erfolgt optisch, visuell mit Hilfe sogenannter Koordimeter oder über elektrooptische, bzw. elektronisch, berührungslos messende Sensoren.

Lotgewicht

Gefäß

Öl

Abdeckhaube

Triangulationssensorender Fa. Glötzl

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Schwimm-körper

Gehäuse

Lotdraht

Ableseeinrichtung

Einspannungim Staumauerfuß

Schwimmlot

Beim Schwimmlot wird der Lotdraht (d = 1 - 2 mm) im Staumauerfußeingespannt. Unter der Staumauerkrone ist ein als Hohlzylinder ausgebildetes Schwimmergehäuse installiert. Im Gehäuse schwimmt ein ringförmiger Auftriebskörper, an dem zentrisch der Lotdraht befestigt wird.

Der Schwimmkörper muss so ausreichend dimensioniert sein, dass der Auftrieb (300 –2000 N) das Gewicht des Drahts kompensiert und zusätzlich noch eine ausreichende Spannkraft zur Straffung des Drahts gegeben ist. Das Schwimmergefäß wird mit Wasser gefüllt und mit einer Schicht Öl gegen Verdunstung abgedeckt. Alternativ kann man auch für die gesamte Schwimmlot-flüssigkeit Öl verwenden.

Die Position des Lotdrahts wird unterhalb des Gehäuses mit einer speziellen Ablese-vorrichtungen in x- und y-Richtung erfasst.

Schwimmlot SLO 30 der Fa.Richter GmbH

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Schwimmlotmit einer speziellen Ablese-einrichtung in x- und y-Richtung erfasst.

Talsperrenmesstechnik (13) Huggenberger Zentriersondensystem ACD

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Messverfahren in der Bau- und Geotechnik (1)

ÜberblickSowohl in der Errichtungs- als auch in der Nutzungsphase von Bauwerken werden neben geodätischen Messverfahren spezielle Methoden der Baumesstechnik angewendet.

In jüngerer Zeit kommen auch immer häufiger automatisierte Verfahren im Rahmen eines umfassenden „Bauwerksmonitorings“ zur Anwendung. Hierbei geht es darum, durch den Einsatz von speziellen Sensoren und Messsystemen Verformungen und Alterungszustände von Bauwerken zu erfassen. Im Vordergrund solcher Messungen steht dabei die Gewährleistung der Stand-, Trag- und Betriebsicherheit. Monitoringsysteme geben letztlich Hinweise auf Belastungen und Schäden von Baukonstruktionen und ermöglichen damit eine rechtzeitige Instandsetzung vor Eintritt von gefährlichen oder nur aufwändig wieder instandzusetzenden Zuständen. Sie werden deshalb auch als “Frühwarnsysteme“bezeichnet.

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DistometerPräzisionsmessgerät zum Bestimmen von Distanzänderungen mit Hilfe von INVAR-Drähten.

Die Distometer-Messkette besteht aus vier wesentlichen Komponenten:

• den beiden Messbolzen (1) und (2), die beim Messobjekt verankert sind• dem Invardraht (4) mit den beiden Drahtkupplungen (6)• dem Distometer (5) mit Kraftmessteil, Längenmessteil, kardanischemAnschlussgelenk (8) und dem Halter für Drahtkupplungen am Distometer (7)

• dem separaten kardanischen Anschlussgelenk (3)

MessbolzenDiese definieren die Messstrecke und dienen zur Befestigung der kardanischen Anschlussgelenke während des Messvorgangs.

KraftmessteilDieses besteht im wesentlichen aus einer hochpräzisen Kraft-Messfeder, die den Invardrahtwährend des Messvorganges unter der geforderten Zugspannung hält. Die Dehnung der Kraftmess-feder, welche ein Maß für die auf den Invardrahtwirkende Zugkraft darstellt, wird an der Kraftmess-uhr abgelesen. Damit kann die erforderliche Zugkraft bei jeder Messung exakt reguliert werden.

LängenmessteilMit der zweiten Messuhr wird die Längenverände-rung der Messstrecke gemessen. Prinzipiell wird mit dieser Messuhr der Abstand zwischen demDistometer und dem Invardrahtende bestimmt.

InvardrahtDer Invardraht stellt eine, für jede Messstrecke individuell angepasste Verlängerung des Distometers dar. Der Invardraht weist bei einer konstanten Vorspannung eine gleichbleibende und weitgehend temperaturunabhängigeLänge auf. Für jede zu messende Strecke wird der Invardraht vor Beginn der Messungen an Ort auf die erforderliche Länge zugeschnitten und an beiden Enden mit Drahtkupplungen versehen.

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Distometer - Messbeispiele.

Konvergenzmessungen in Tunneln und Stollen

Konvergenzmessungen in Baugruben

Konvergenzmessungen in Brückengewölben

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ExtensometerExtensometer sind Messgeräte, mit denen Längenänderungen von Objekten gemessen werden.

Bohrloch-StangenextensometerEin Stangenextensometer besteht aus Anker, Messgestänge mit Hüllrohr und Kopf. Die Anker werden im Bohrloch installiert. Das Messgestänge überbrückt die Strecke zwischen den Ankerpunkten und dem Kopfpunkt am Bohrlochmund.

Die Messungen werden am Kopfpunkt entweder mit einer Messuhr manuell durchgeführt oder automatisch mit elektrischen Wegaufnehmern. Kopfabdeckungen schützen die empfindlichen Meßgeber vor äußeren Einflüssen und werden auf die Montageplatte des Extensometerkopfes aufgeschraubt. Ein kompletter Mehrfach-Extensometerkopf besteht aus mehreren Einfach-Extensometerköpfen und einer Montageplatte. Der Einfachkopf bildet die Verbindung zwischen Messgestänge und Messaufnehmer. Edelstahl-Basisplatten nehmen mehrere Extensometerköpfe auf und bündeln sie am Bohrlochmund. Extensometer-Messgestänge sind entweder aus Glasfaser oder Edelstahl gefertigt.

Hüllrohr

Extensometerstab

Anker

Zement

Bohrloch

Messuhr

Kopf

Montageplatte

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Bohrloch-Stangenextensometer - Anwendungen

Messung des Verformungsverhaltens des Gebirges bei Stollen und Tunneln.

Stangenextensometer

Kontrolle des Bodenverhaltens im Bereich der verfüllten Baugrube einer Schleusenkammer

Messschacht Dreifach-Stangenextensometer

Schleusenkammer

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Bohrloch-Neigungssonden

Die Bestimmung der Lagepositionen von Bohrlöchern über die Tiefe gelingt mit Neigungssonden bzw. sogenannten Bohrloch-Inklinometern. Die Sonden werden in speziell verrohrten Bohrlöchern an einem Messband Stück für Stück herabgelassen und dabei die Neigungen in zwei zu einander rechtwinkligen Koordinatenrichtungen elektronisch gemessen. Der vertikale Versatz der einzelnen Messpositionen entspricht der Messbasis der Neigungssonde. Die Berechnung der Koordinaten ähnelt dem Rechengang eines „toten Polygonzugs“. Nur werden hier keine Brechungswinkel, sondern direkt die „Richtungswinkel = Neigungswinkel“ αyi und αxi gemessen. Die Strecken entsprechen jeweils dem Rollenab-stand (Messbasis) der Sonde; in der Regel 0,5 m oder 1,0 m. Führungsnuten in den Bohrlochrohren sollen sicherstellen, dass die Sonde sich in einer Ebene bewegt und sich nicht beim Herablassen verdreht. Kommen Glattrohre ohne Nuten zum Einsatz muss die Sonde mit einem elektronischen Kompass und einer elektrischen Stelleinrichtung für die notwendigen zu steuernden Verdrehungen des Neigungsmessers in die Nord- und Westrichtung ausgestattet sein.

α

Mes

sbas

is

Neigungssensor x-Richtung

Neigungssensor y-Richtung

federnd gelagerte Rollenwippe

Bohrlochrohr

Querschnitt Spezial-Bohrlohrrohrmit Führungsnuten

Bohrloch-Neigungssonde

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Bohrloch-NeigungsmessungenBerechnung der Abweichungen aus der Lotrechten

Bei der Berechnung der Abweichungen von der Lotrechten beginnt man bei der tiefsten Messstelle, da davon auszugehen ist, dass oberflächennahe Auswirkungen von Baumaßnahmen den geringsten Einfluss auf die Lageverschiebung des tiefsten Punkt haben.

...);sin()sin(

212

11

x

x

sxxsx

αα⋅+Δ=Δ

⋅=Δ

( )∑=

=

⋅=Δij

jxii sx

1)(sin(α ( )∑

=

=

⋅=Δij

jyii sy

1)(sin(α

αx1

αx2

αx3

αx4

αx5

Δx5

s

P0

P1

P2

P3

P4

P5

Lagediagramm aus Inklinometermessdaten x, y

y

x

1

2

3

4

5

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