Niepewność pomiaru wytężenia konstrukcji

Rewolucja półprzewodnikowa – prawo Moore’a – stworzyła m.in. możliwość monitorowania procesów i obiektów, w tym konstrukcji budowlanych, w szczególności dachu. Potrzeba taka istniała od zawsze; potwierdzeniem była znaczna i rosnąca liczba awarii i katastrof. Szczególnie potrzebne było monitorowanie stopnia wykorzystania nośności konstrukcji stalowych przez obciążenie zmienne, np. śnieg i wody deszczowe lub zmianę obciążeń stałych. Naturalną wielkością fizyczną określającą stopień wytężenia konstrukcji są naprężenia, natomiast sensorem do ich pośredniego (poprzez lokalne odkształcenie) pomiaru jest tensometr.

Tensometry to bardzo dobre czujniki, stosowane w bardzo dokładnych i stabilnych przetwornikach siły/masy, nawet klasy C4 (dokładność 4000 działek), gdzie mierzą odkształcenia specjalnie zaprojektowanych elementów mechanicznych, wykonanych z materiału o ściśle określonych parametrach. Te znakomite przetworniki są projektowane przez wysokiej klasy specjalistów z zachowaniem ostrych reżimów na stałość parametrów materiałowych oraz konstrukcyjnych.

W przypadku konstrukcji budowlanych sytuacja jest inna – dokonuje się punktowego pomiaru odkształceń powierzchniowych elementu, dla którego nie są znane dokładnie rozkłady naprężeń, położenia wartości maksymalnych czy ich zachowanie w funkcji obciążenia. W konstrukcji występują niedoskonałości, niejednorodności materiałów oraz nie są znane dokładne wartości kluczowych parametrów. Z tych względów w praktyce niemożliwe jest określenie wiarygodnych związków wytężenia konstrukcji (wielkość globalna) ze wskazaniami tensometrów (wielkości lokalne). Stawiało to pod znakiem zapytania wiarygodność monitoringu konstrukcji z wykorzystaniem tensometrów. I tak rzeczywiście było – pojawiły się potwierdzone informacje o niemożności uzyskiwania zgodności mierzonych i obliczonych odkształceń.

Ugięcie

W rezultacie takich negatywnych doświadczeń tensometria nie uzyskała akceptacji rynkowej i obecnie nie jest raczej stosowana w omawianym zastosowaniu. Doświadczenie z tensometrami potwierdza jednak bardzo ważną tezę. Dokładny czujnik nie gwarantuje dokładnych pomiarów. Niezbędne jest jego właściwe użycie (zastosowanie odpowiedniej metody). Jednak w przypadku monitoringu wytężenia konstrukcji i tensometrów takiego rozwiązania nie ma. Opisane wyżej nieudane próby potwierdziły jednak dość powszechną opinię ekspertów, że w typowych układach konstrukcyjnych ugięcie jest jedynym mierzalnym stanem konstrukcji, związanym bezpośrednio i jednoznacznie z jej wytężeniem.

Pomiary

Skoncentrowano się zatem na wykorzystywaniu ugięcia do monitorowania wytężenia konstrukcji dachu. Najczęściej stosuje się tu pomiar przemieszczeń liniowych, mierzonych metodą geodezyjną, tachimetrem bądź specjalizowanym, laserowym urządzeniem pomiarowym. Metrologicznie najlepszym rozwiązaniem jest zastosowanie tachimetrów. Jednak ze względu na ich bardzo wysoką cenę, konieczność zapewnienia bardzo stabilnej podstawy oraz dobrej przezierności ich stosowanie jest ograniczone do obiektów specjalnych. W typowych obiektach jest to rozwiązanie z jednej strony zbyt drogie, z drugiej zaś bardzo trudne w realizacji. Zastosowanie znalazły laserowe urządzenia pomiarowe (o rozdzielczości i dokładności pomiaru odległości ~1 mm i zakresie 30-100 m), które sprawdzają się w rozwiązaniach dedykowanych dla typowych obiektów i konstrukcji. W omawianych systemach trzeba mierzyć laserowo przemieszczenia pionowe punktów pomiarowych na konstrukcji dachu. Pomiar taki można – najogólniej biorąc – realizować na dwa sposoby, różniące się położeniem promienia lasera:

• pionowy,
• poziomy.

Pomiar pionowy

W pomiarze pionowym (stosowanym w WISENE Roof Monitoring^®) laserowe urządzenie pomiarowe mocowane jest wahliwie, bezpośrednio do elementu konstrukcyjnego w punkcie pomiarowym i mierzy pionowo zmianę odległości do posadzki. Posadzka to najlepsze z dostępnych w obiektach odniesienie dla pomiarów geodezyjnych. Zmierzona zmiana odległości – w oczywisty sposób – jest równa przemieszczeniu pionowemu. Wahliwe zawieszenie, najlepiej za pomocą specjalnego zawiesia, o minimalnym oporze statycznym i możliwie dużym oporze dynamicznym, zapewnia tłumienie potencjalnych ruchów oraz stabilizuje grawitacyjnie położenie promienia lasera. Dzięki temu wynik pomiaru jest całkowicie niewrażliwy na ewentualne ruchy konstrukcji, poza mierzonym przemieszczeniem pionowym. W tej technologii dokładność pomiaru odległości jest na poziomie 1 mm, a błąd wynikający z metody pomiarowej jest pomijalnie mały, wynosi ułamki milimetrów.

Pomiar pionowy jest metrologicznie „idealny” (wiarygodny). Towarzyszy temu małe ograniczenie – punkt odniesienia w miejscu pomiaru nie powinien być trwale zastawiany. Jest to jednak niewielkie ograniczenie, szczególnie że wpływ większości zakłóceń jest eliminowany przez stosowanie inteligentnych algorytmów przetwarzania danych pomiarowych.

Pomiar poziomy

W pomiarze poziomym (metoda Yoshinobu Oshima) laserowe urządzenie pomiarowe mocowane jest sztywno do słupa ramy i mierzy poziomo zmianę odległości od tarczy pomiarowej zamocowanej sztywno do monitorowanego, poziomego elementu konstrukcji dachu w punkcie pomiarowym. Gdy promień lasera jest położony poziomo, a tarcza pomiarowa nachylona pod kątem 45° do poziomu, zmiana wyniku pomiaru odległości jest równa przemieszczeniu pionowemu punktu pomiarowego.

Galeria