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Das Modell der Strandmauer
Seitenansicht des Strandmauer-Modells

Sicher gegen hohe Wellen: HBM-Messtechnik sorgt für belastbare Daten in wissenschaftlichem Experiment an Strandmauer

In Zeiten steigender Meeresspiegel ist das Design standhafter und stabiler Küstenbefestigungen von höchster Bedeutung.

Doch was passiert, wenn eine Welle mit großer Wucht auf eine solche Befestigungsmauer trifft? Bislang arbeiten Forscher nur mit Formeln zur Kraft- und Druckberechnung – können aber nicht auf experimentell gewonnene Daten zurückgreifen.

Wissenschaftler der Universitat Politècnica de Catalunya in Barcelona, Spanien, haben erstmals einen experimentellen Ansatz zur Bestimmung der Kräfte bei einem stoßartigen Wellenaufprall entwickelt. Druck- und Kraftaufnehmer, sowie hochwertige Messverstärker von HBM spielen in diesem Experiment eine Schlüsselrolle.

 

Die Vorderseite des Modells
Druckaufnehmer von HBM am Modell
Eine Welle trifft auf das Modell der Strandmauer

Positionierung der Druckaufnehmer am Modell der Strandmauer

Das Auftreffen einer Welle auf eine senkrechte Mauer ist ein schnelles und äußerst kraftvolles Phänomen, das sehr schwer messbar ist. Von entscheidender Bedeutung dabei ist, dass die durch den Aufprall der Welle erzeugte Gesamtkraft und ihr Auftreffpunkt gemessen werden, um die zulässigen Lasten vorhersagen und die Strandmauer entsprechend konstruieren zu können. Auch der Druck ist wichtig für die Gestaltung der Armierung von Stahlbeton.

Hierfür wurde im Labor für Meerestechnik der Universitat Politècnica de Catalunya (LIM-UPC) ein physikalisches Modell konstruiert. Das Modell der Strandmauer wurde mit sechs Druckaufnehmern P8AP bestückt, die zum Messen der vertikalen Druckverteilung mitten in dem Bereich platziert wurden, in dem die Welle auftrifft. Zur Messung der Gesamtkraft und des durch den Aufprall der Welle erzeugten Impulses liegt der Aufbau auf zwei Balkenwägezellen Z6C3 auf.

Absolut-Druckaufnehmer P8AP

Der P8AP ist ein Absolutdruckaufnehmer basierend auf einem Dehnungsmessstreifen-Sensor mit einem Messbereich von 10 bar und einer Genauigkeitsklasse von 0,3. Die P8AP mit Schutzart IP67 sind wetterfest, jedoch nicht wasserfest; daher wird ein Gehäuse benötigt, das die Sensoren gegen Wasser schützt.

In die Mauer wurden 20 Löcher gebohrt, um bei der Positionierung der Drucksensoren verschiedene Muster ausprobieren zu können. Sechs Löcher wurden mit den Drucksensoren verschlossen, die anderen mit Schrauben, um eine wasserdichte, durchgängige Wand zu erhalten.

Nach einigen Tests mit unterschiedlichen Sensoranordnungen wurde das endgültige Muster festgelegt, wobei die sechs Drucksensoren in einer Vertikale und jeweils mit einem Abstand von 25 mm platziert wurden.

Nutzung der Z6-Wägezelle

Die Z6 von HBM ist eine Biegestabwägezelle mit einer Nennlast von 50 kg und einer Genauigkeit von 0,009 % der Nennlast. Die Wägezellen wurden am Schutzgehäuse der Drucksensoren angebracht und an der oben beschriebenen netzartigen Struktur befestigt. Von entscheidender Bedeutung hierbei ist eine äußerst steife mechanische Verbindung, um auszuschließen, dass Kraft absorbiert und die Messung beeinträchtigt wird.

Zum Einsatz kommt hier eine auf einem Überbau des Wellenkanals befestigte netzartige Struktur (unabhängig vom Wellenkanal selbst), da in einer netzartigen Struktur ganz normale Kräfte auftreten und die Knoten fixiert sind. Die Steifigkeit der Wägezellen sollte deutlich geringer sein als die Steifigkeit der netzartigen Struktur, um eine Verformung zu ermöglichen und die Kraft korrekt messen zu können.

Die Verbindung der beiden Wägezellen an zwei verschiedenen Stellen ist erforderlich, um Zeitreihen der Gesamtkraft, des Impulses und des Krafteinleitungspunkts zu erhalten.

 

Verhältnis von Druck und Zeit
Verhältnis von Kraft und Frequenz
Daten von Druck und Gewicht

Gemeinsames Datenerfassungssystem ermöglicht Vergleichbarkeit der Messdaten

Da es sich hier um ein äußerst schnelles Phänomen handelt (wenige Millisekunden), war der Achtkanalverstärker QuantumX MX840 von HBM mit einer maximalen Abtastrate von 19200 Hz für alle Kanäle die beste, am Markt erhältliche Option. Sowohl die Druckaufnehmer als auch die Wägezellen wurden über das mit der Software catmanEasy gesteuerte QuantumX angeschlossen und die Werte aufgezeichnet.

Die Möglichkeit des Anschlusses der sechs Druckaufnehmer und zwei Wägezellen an dasselbe Datenerfassungssystem und der Abtastung mit sehr hoher Geschwindigkeit ist ausschlaggebend dafür, dass die mit beiden Typen erfassten Ergebnisse miteinander verglichen werden können.

Zur Überprüfung der Ergebnisse wurden die Messwerte der Druckaufnehmer und der Wägezellen miteinander verglichen, und zwar durch Integration der mit den P8AP bestimmten Druckverteilung im vertikalen Abschnitt.

Vorläufige Ergebnisse zeigen eine gute Übereinstimmung zwischen den Messergebnissen der Druckaufnehmer und der Wägezellen bei niedriger Abtastfrequenz. Mit steigender Abtastfrequenz wird die Übereinstimmung geringer. Einige Sensoren sind in einer Nass-/Trockenzone positioniert, in der es durch das Vorhandensein einer Mischung aus Luft und Wasser während des Aufpralls und die Geometrie der P8AP aufgrund der Komprimierbarkeit der Luft zu Problemen während der Messung kommen kann.

Zur Lösung dieses Problems wird der Druckeingang des Sensors mit Glycerin gefüllt und ein Vakuum erzeugt, um jegliche Schwingungen der Vakuummembran und das Austreten von Glycerin zu verhindern.

Einer der nächsten Schritte in der Versuchsreihe wird sein, die Auflösung der Drucksensoren durch den Erwerb acht weiterer Sensoren und eines zusätzlichen QuantumX MX840 zu verbessern.