Quelle Nummer 271

Rubrik 28 : TECHNIK   Unterrubrik 28.01 : BUECHER

SPANNUNGSOPTIK
A. KUSKE
SPANNUNGSOPTIK IM BAUWESEN
WERNER-VERLAG, DUESSELDORF 1970, S. 65-


001  Allgemeine dreidimensionale Spannungszustände.
002  Das Erstarrungsverfahren. Die Spannungen in Körpern
003  beliebiger Form, bei denen keine vereinfachenden Voraussetzungen
004  getroffen werden können wie z. B. bei Scheiben oder
005  Platten, sind nach den bisher beschriebenen Verfahren nicht zu
006  ermitteln. Bei der Untersuchung der Spannungen in einem
007  dreidimensionalen Fall nach diesen Verfahren könnte man bei der
008  Beobachtung des aus dem Modell austretenden Lichtes nur einen
009  summarischen Effekt beobachten, der durch die Spannungszustände
010  aller Punkte, durch die der Lichtstrahl gegangen ist, verursacht
011  wurde. Da diese Summierung zudem nicht einfach arithmetisch
012  erfolgt, sondern nach komplizierten Gesetzmäßigkeiten (die im
013  Anhang kurz erläutert werden), wäre eine Analysierung dieses
014  Effektes, d. h. seine Aufteilung und Zuordnung zu den
015  einzelnen Punkten des Körpers, nicht möglich. Für die
016  Untersuchung dreidimensionaler Spannungszustände wurde eine Reihe
017  von Verfahren entwickelt, unter denen das sogenannte
018  Erstarrungsverfahren dasjenige ist, das für die meisten Fälle
019  geeignet ist und auch tatsächlich die weitestgehende Anwendung
020  findet. Einige weitere Verfahren sind im Anhang kurz erläutert.
021  Das Erstarrungsverfahren ist in seiner Durchführung im Prinzip
022  denkbar einfach und ermöglicht jedem Anfänger ohne große
023  Vorkenntnisse die Durchführung von dreidimensionalen
024  spannungsoptischen Untersuchungen. Es beruht auf den besonderen
025  Eigenschaften der Kunststoffe, die als Modellwerkstoff verwendet
026  werden, z. B. warmhärtendes Epoxiharz (Lekutherm X 30
027  der Firma Bayer, Leverkusen). Dieses ist bei Zimmertemperatur
028  hart (Elastizitätsmodul = 35000 (Formel)), nach Erwärmung auf etwa
029  135^ C geht es in einen gummiähnlichen Zustand über, wobei es
030  aber rein elastisches Verhalten zeigt mit einem Elastizitätsmodul
031  von nur 200 (Formel). Kühlt man es dann auf Zimmertemperatur ab, so
032  nimmt es seine ursprünglichen Eigenschaften wieder an, verformt
033  man es bei der erhöhten Temperatur durch irgendeine Belastung und
034  läßt es unter dieser Last abkühlen, so behält es die durch die
035  Belastung verursachte Formänderung bei, auch nachdem es im
036  abgekühlten Zustand entlastet wurde. Durch die Belastung im
037  warmen Zustand bzw. Formänderung werden nun auch
038  Doppelbrechungen verursacht, ähnlich wie bei der Belastung im
039  kalten Zustand. Auch diese bleiben nach Entlastung des Modells
040  erhalten. Um den elastischen Verformungszustand nach dem
041  Abkühlen zu untersuchen, entnimmt man dem Modell geeignete
042  Stücke, z. B. kann man Scheiben aus diesem heraussägen.
043  Bei kontinuierlich veränderlicher Spannung ist diese über die
044  Dicke einer solchen Scheibe natürlich auch nicht konstant. Man
045  hat daher die Scheibendicke klein genug zu wählen, daß man die
046  örtlichen Änderungen als linear betrachten kann. Die optischen
047  Effekte geben dann einen Mittelwert über die Dicke wieder oder in
048  etwa die Spannungshöhe in der Mittelebene der ausgeschnittenen
049  Scheibe. Daß die erstarrten Formänderungen und die mit ihnen
050  verbundene Doppelbrechung einem elastischen und nicht etwa einem
051  plastischen Spannungszustand entsprechen, geht daraus hervor, daß
052  sich das Material, wie erwähnt, im erwärmten Zustand rein
053  elastisch verhält und beim Abkühlen keine weiteren
054  Formänderungen oder Änderungen der Doppelbrechung eintreten.
055  Die physikalische Erklärung aller beobachteten Erscheinungen
056  führt auf die Annahme zweier verschiedener Stoffanteile, die in
057  jedem Molekül vereinigt sind, einem elastischen und einem
058  plastischen. Das Modellmaterial verhält sich daher wie - ins
059  Makroskopische übertragen - ein rein elastischer Schwamm, der
060  mit einem Wachs oder ähnlichem Material getränkt ist. Dieses
061  Wachs ist bei Zimmertemperatur hart, so daß der ganze Körper
062  hart wirkt. Mit zunehmender Temperatur wird es weicher und ist bei
063  der Temperatur der völligen Erweichung (135^ C) praktisch
064  flüssig. Es behindert dann die Formänderung nicht mehr, und es
065  wirkt dann nur noch der Elastizitätsmodul des Schwammes allein.
066  Dieser Vergleich erklärt auch die Tatsache, daß, wenn ein
067  erstarrtes Modell oder die Schnitte daraus nochmals auf 135^ C
068  erwärmt werden, die Verformung rückgängig gemacht wird und damit
069  auch die Doppelbrechung wieder verschwindet. Diese Tatsache kann
070  dazu benutzt werden, um räumliche Modelle oder auch
071  Scheibenmodelle durch eine solche Erwärmung wieder zu entspannen
072  und damit die Eigenspannung, die z. B. bei der Bearbeitung
073  in Scheibenmodellen entstehen kann, zu beseitigen. Das erwähnte
074  Gedankenmodell, aus dem sich alle mechanischen Eigenschaften des
075  Materials erklären lassen, gilt auch für sein optisches
076  Verhalten. Jeder der beiden Stoffanteile verursacht einen Teil
077  der gesamten zu beobachtenden Doppelbrechung, und zwar ist dieser
078  Anteil einerseits proportional dem von dem betreffenden Stoffanteil
079  aufgenommenen Teil der Gesamtspannung, andererseits gilt für die
080  beiden Stoffanteile jeweils ein bestimmtes, aber verschiedenes
081  Verhältnis von Spannung zu Doppelbrechung. Auf die weiteren
082  Einzelheiten sei hier nicht eingegangen, sondern auf die Literatur
083  verwiesen[ 1 ]u.[ 2 ]. Die zahlenmäßigen
084  Eigenschaften der Modellwerkstoffe im erwärmten Zustand bedingen
085  gewisse Einschränkungen der Anwendbarkeit des
086  Erstarrungsverfahrens: Diese sind einerseits durch den niedrigen
087  Elastizitätsmodul von 200 (Formel), ferner durch die Querdehnungszahl
088  von 0,5 und die niedrige Zugfestigkeit von nur etwa 10 (Formel)
089  gegeben. Das Verhältnis von Doppelbrechung zu Spannung ist zwar
090  höher als im kalten Zustand, aber das Verhältnis von
091  Doppelbrechung zu Dehnung ist erheblich niedriger. Ein
092  Gangunterschied von einer Wellenlänge des Natriumlichts wird bei
093  einer Schnittstärke von 1 cm bei einer Spannung von 0,3 (Formel),
094  d. h. bei einer relativen Formänderung von 0,15 %,
095  verursacht (d. h. die spannungsoptische Konstante S
096  (math.Op.) 0,3 kp (math.Op.) cm). Um einen gut meßbaren optischen Effekt
097  zu erzielen, ist es daher im allgemeinen erforderlich, die
098  relativen Formänderungen im Modell höher zu wählen als in der
099  Hauptausführung. Störend wirkt sich dies z. B. bei
100  dünnwandigen Körpern, Schalen usw. aus. Bei diesen kann die
101  Veränderung der Form durch die Last so gravierend sein, daß die
102  Übertragung der Ergebnisse fragwürdig werden kann. Die meisten
103  Werkstoffe der Hauptausführung, z. B. Beton, Stahl usw.,
104  haben eine wesentlich niedrigere Querdehnungszahl als der
105  Modellwerkstoff. Wie weit sich dies im einzelnen Fall auf die
106  Spannungsverteilung auswirkt, ist meist schwer zu bestimmen, liegt
107  aber sicher in den meisten Fällen in tragbaren Grenzen (Ausnahme
108  evtl. einige Schalenformen). Optische Vorgänge und
109  Spannungen. Es wurden in Abschnitt 3 beschrieben, daß z.B.
110  bei Scheiben die Größe der Doppelbrechung, die ein
111  polarisierter Lichtstrahl erfährt, proportional der Differenz der
112  Hauptnormalspannungen ist, wenn der Lichtstrahl das Modell
113  senkrecht zu seiner Ebene, d. h. senkrecht zur Ebene der
114  Hauptnormalspannungen, durchdringt. Im Fall von Schnitten, die
115  aus einem dreidimensionalen Modell in der erwähnten Weise
116  ausgeschnitten wurden, kann natürlich im allgemeinen nicht
117  vorausgesetzt werden, daß zwei der drei Hauptnormalspannungen in
118  der Schnittebene liegen. Ihre Lage ist vielmehr zunächst
119  unbekannt. Die Größe der Doppelbrechung ist im allgemeinen
120  dreidimensionalen Fall proportional der Differenz der in der
121  Schnittebene liegenden sogenannten " sekundären
122  Hauptnormalspanunngen ". Deren Bedeutung läßt sich anschaulich
123  erklären: Man stelle sich in dem zunächst unverformten Körper
124  eine kleine Kugel von elementarer Größe vor. Durch die
125  Belastung und die damit verbundenen Formänderungen wird diese
126  Kugel zu einem dreiachsigen Ellipsoid, dessen drei Hauptachsen
127  mit den drei Hauptnormalspannungsrichtungen zusammenfallen. Ein
128  zentraler Schnitt durch dieses Ellipsoid in Richtung der Ebene
129  des Modellschnitts ist dann eine Ellipse, deren Hauptachsen mit
130  den Richtungen der erwähnten sekundären Hauptnormalspannungen in
131  der Schnittebene zusammenfallen. Diese sekundären
132  Hauptnormalspannungen sind also die Normalspannungen für die
133  entsprechenden Schnittrichtungen innerhalb der Ebene des
134  Modellschnitts. Die Doppelbrechung eines Lichtstrahls, der den
135  Schnitt aus dem Modell senkrecht durchdringt und durch die zu
136  beobachtende Isochromatenordnung feststellbar ist, ist nun
137  proportional der Differenz dieser sekundären Hauptnormalspannungen,
138  die in der Ebene senkrecht zur Strahlrichtung bei senkrechter
139  Durchstrahlung, also in der Schnittebene, liegen. Im eben
140  polarisierten Licht beobachtet man hier ebenfalls Isoklinen,
141  ähnlich wie in Scheiben. Diese zeigen dann den Richtungswinkel
142  der sekundären Hauptnormalspannungen in der Schnittebene an. Der
143  Zusammenhang zwischen den ermittelten sekundären
144  Hauptnormalspannungen und den Spannungskomponenten in den
145  Achsrichtungen ist dann folgender: Wählt man ein xyz-
146  Koordinatensystem so, daß die xy-Ebene mit der Ebene
147  eines zu untersuchenden Schnitts zusammenfällt, so erhält man aus
148  den optischen Beobachtungen die Differenz der in dieser Ebene
149  liegenden sekundären Hauptnormalspannung, die mit (Formel) bezeichnet
150  sei, ferner den Richtungswinkel (Formel). Daraus berechnet man
151  einerseits die Schubspannung innerhalb der Schnittebene: (Formel) und
152  andererseits die Normalspannungsdifferenz: (Formel). Das bedeutet,
153  die Zusammenhänge zwischen den Schubspannungen und der
154  Normalspannungsdifferenz einerseits und den optisch ermittelten
155  Daten andererseits sind die gleichen wie bei Scheiben, d.h.
156  , man kann zur Bestimmung der genannten Werte wiederum das
157  Nomogramm Abb. 26 heranziehen. Aus dem bisher Gesagten geht
158  hervor, daß eine Beobachtung eines Modellschnitts in einer
159  Richtung, z. B. senkrecht zur Schnittebene, nur zwei
160  Daten liefert. Zur vollständigen Charakterisierung eines
161  dreidimensionalen Spannungszustandes sind jedoch sechs Werte
162  erforderlich. Dies sind die drei Normalspannungskomponenten (Formel),
163  und die Schubspannungskomponenten (Formel), oder die
164  Hauptnormalspannungen (Formel) und deren Richtungen, die durch drei
165  Winkelangaben gekennzeichnet werden können. Wenn man ein Modell
166  bzw. einen Schnitt aus einem Modell nicht nur in einer einzigen
167  Richtung, sondern in mehreren beobachtet, so kann man
168  grundsätzlich fünf von den erwähnten sechs Werten bestimmen.
169  Dies sind einmal die drei erwähnten Schubspannungen, aber man
170  kann keinen Wert einer Normalspannung, sondern nur Differenzen
171  von Normalspannungen ermitteln, d. h. z. B. (Formel) und
172  (Formel). Die dritte Differenz dieser Art, nämlich (Formel) geht aus den
173  anderen beiden Werten hervor, denn es ist (Formel) (math.Op.) (Formel) (math.Op.) (Formel). Um
174  diese fünf Daten zu erfassen, sind die Modellschnitte also
175  mindestens in drei Richtungen zu beobachten. Die fünf Daten kann
176  man z. B. durch Beobachtung eines Punktes des
177  Modellschnitts in mehreren Richtungen gleichzeitig mit Hilfe
178  konvergenten Lichts finden[ 1 ]oder mit parallelem Licht in
179  mehreren Richtungen nacheinander, worauf im Anhang näher
180  eingegangen ist. Die Beobachtung in Richtung senkrecht zur
181  Schnittebene ist dabei natürlich am einfachsten und man versucht
182  daher - z. B. durch Wahl entsprechender Schnittrichtungen
183  für die Modellschnitte - mit senkrechter Durchleuchtung der
184  Schnitte auszukommen. In vielen Fällen genügt es, in zwei
185  zueinander senkrechten Richtungen zu beobachten, woraus dann durch
186  die Verfahren der vollständigen Spannungsbestimmung, d. h.
187  der Trennung der Hauptnormalspannungen eine Hauptnormalspannung
188  durch Integration bestimmt werden kann und die beiden anderen dann
189  aus den Differenzen entnommen werden können. Es fehlt dann
190  lediglich eine der drei Schubspannungen. Wie man z. B. im
191  Falle der Symmetrie, dadurch, daß man die symmetrischen
192  Hälften in zueinander senkrechten Richtungen schneidet, bei
193  senkrechter Durchleuchtung aller Schnitte für jeden Punkt vier
194  Werte erhält, die in Verbindung mit den Verfahren zur
195  vollständigen Auswertung (Bestimmung der Normalspannungen)
196  ausreichend sind, ist in einem Beispiel (Abschnitt 5 f)
197  beschrieben. (Abb.) In Abb. 54 sind die Spannungen an einem
198  Ausschnitt aus einem allgemeinen dreidimensionalen Spannungszustand
199  dargestellt. Trennung der Normalspannungen und Bestimmung
200  des vollständigen Spannungszustandes. Aus den optischen Daten
201  allein kann der vollständige Spannungszustand dann entnommen werden,
202  wenn geeignete Voraussetzungen bezüglich des Spannungszustandes
203  getroffen werden können, z. B., wenn ein einachsiger
204  oder zweiachsiger Spannungszustand - evtl. näherungsweise
205  - vorausgesetzt werden kann. Zum Beispiel an der lastfreien
206  Oberfläche eines dreidimensionalen Körpers herrscht bekanntlich
207  ein zweiachsiger Spannungszustand, zu dessen vollständiger
208  Bestimmung also nur drei Werte erforderlich sind. Diese können
209  daher aus einer Beobachtung senkrecht zur Oberfläche eines
210  entsprechenden Schnittes und einer parallel zur Oberfläche an dem
211  gleichen Schnitt, soweit dies möglich ist, oder nach Zerlegung
212  des ersten Schnittes in Unterschnitte senkrecht zu seiner
213  ursprünglichen Ebene bestimmt werden. Aus einem Schnitt
214  senkrecht zur Oberfläche allein kann nur die
215  Normalspannungskomponente in Richtung dieses Schnittes entnommen
216  werden, aus einem Schnitt parallel zur Oberfläche dagegen nur die
217  Differenz der beiden Hauptnormalspannungen in der Oberfläche.
218  Um die beiden Hauptnormalspannungen in der Oberfläche zu trennen
219  bzw. um die Normalspannungen in bestimmten Richtungen getrennt
220  zu bestimmen, so daß der Mohrsche Spannungskreis
221  vollständig ermittelt wird, ist es erforderlich, zwei
222  Beobachtungen durchzuführen, um, wie erwähnt, die drei Werte
223  über den Spannungszustand bestimmen zu können. Dies führt man
224  in der Weise durch, daß man z. B. den Schnitt parallel
225  zur Oberfläche dann in Richtung einer Hauptnormalspannung oder
226  auch in einer beliebigen Richtung unterteilt, so daß in den
227  ausgeschnittenen schmalen Streifen, die man dann in Richtung
228  parallel zur Oberfläche durchleuchtet, die Spannung in einer
229  bestimmten Richtung bestimmt werden kann. Andererseits kann man
230  Schnitte, die senkrecht zur Oberfläche entnommen wurden,
231  unterteilen, indem man sie etwa in Streifen prismatischer Form und
232  quadratischen Querschnittes aufteilt und diese Unterschnitte dann
233  in Richtung parallel zur ursprünglichen Scheibenrichtung
234  durchleuchtet. Anstelle der ausschließlich senkrecht zur
235  Scheibenebene erfolgenden Beobachtung bzw. Beobachtung in
236  Richtung senkrecht zu den Ebenen von Unterschnitten, kann man die
237  Modellschnitte auch in verschiedenen Richtungen gleichzeitig oder
238  nacheinander beobachten. Eine solche " Schrägdurchstrahlung "
239  über die ganze Fläche gleichzeitig kann man z. B. durch
240  Eintauchen eines Schnittes in eine entsprechende Küvette oder
241  durch Aufsetzen eines Prismas durchführen. Die gleichzeitige
242  Beobachtung in verschiedenen Richtungen kann mit Hilfe eines
243  Konoskops ausgeführt werden. In allgemeinen Fällen, d.h.
244  in solchen, in denen man keine vereinfachten Annahmen
245  bezüglich des Spannungszustandes treffen kann, zieht man zur
246  vollständigen Bestimmung des Spannungszustandes die
247  Gleichgewichtsbedingung, z. B. die für ein Element, das
248  in Richtung kartesischer Koordinaten ausgeschnitten zu denken ist,
249  heran. Die drei Gleichgewichtsbedingungen für die Kräfte in den
250  Achsenrichtungen lauten dann: (Formel). Die Bestimmung der
251  Normalspannung erfolgt dann in ganz ähnlicher Weise wie bei
252  Scheiben. Das heißt, man zeichnet zunächst die Linien gleicher
253  Schubspannung und bestimmt die entsprechenden Ableitungen dieser
254  Werte bzw. die Summen dieser Werte für die Spannungen im
255  Falle eines endlichen Ausschnittes. Die graphische Integration
256  der Gleichung (33a) liefert die unbekannte Spannung z. B.
257  (Formel) in einem Punkt 1 im Inneren des Körpers, ausgehend von der
258  bekannten Spannung (Formel) in einem Punkt 0, z. B. einem
259  Punkt der lastfreien Oberfläche. Es ist: (Formel). Aus den
260  beiden anderen Gleichgewichtsbedingungen lassen sich dann zwei
261  weitere Beziehungen dieser Art ableiten. (Abb.) Bei der praktischen
262  Durchführung solcher Auswertungen beschränkt man sich im
263  allgemeinen darauf, die Normalspannungen längs geeigneter Linien
264  zu ermitteln. Dabei kann man dann so vorgehen, daß man durch eine
265  solche Linie zwei Schnitte senkrecht zueinanderlegt, die sich in
266  dieser Linie schneiden. Für die beiden Ebenen zeichnet man dann
267  die Linien *yt (math.Op.) konst. vor allem in der Nachbarschaft des
268  Schnittes und bestimmt aus diesen dann die Neigung der
269  Schubspannung in der zu untersuchenden Linie selber, und zwar in
270  Richtung senkrecht zu dieser Linie. In solchen Fällen
271  zumindestens ist dieses Auswerteverfahren denkbar einfach,
272  jedenfalls nicht komplizierter als bei Scheiben.

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