2.Principii de Masurare

Ing. Gabriel S. Broască Lucrare de disertaţieMaster Căi Ferate, Drumuri Şi Poduri

2. PRINCIPII DE REALIZARE A ÎNCERCĂRILOR DINAMICE.

2.1. Sursa de excitaţie.

Pentru detectarea comportamentului dinamic definitoriu al structurii încercate, alegerea sursei de excitaţie pentru încercările dinamice este o problema esenţială care trebuie corelată cu tipul de analiză care se doreşte să se dezvolte.

Încercările dinamice asupra structurilor de poduri au la bază excitaţii de tip:

- şoc (de tip impuls sau tranzitoriu) caracterizat ca eveniment dinamic tranzitoriu de

scurtă durată (excitaţii de impact);- excitaţii forţate (vibratorii), care implică aplicarea repetitivă a unei acţiuni variabile în

timp, în domeniul de frecvenţe de oscilaţie a structurii sau elementelor structurale.

Apar diferenţe între cele două tipuri majore de excitaţii în ceea ce priveşte amplitudinea şi modul de aplicare în timp:

- excitații de tip şoc, dezvoltă acceleraţii ridicate, pe o perioadă scurtă de timp;

- excitaţiile forţate se aplica repetitiv cu un nivel de amplitudine mai redus, pe o

perioadă mai mare de timp.

Excitaţiile forţate sunt de mai multe tipuri:

Excitaţiile periodice: care constau în aplicarea unei sarcini armonice care implică utilizarea unui dispozitiv de generare, de tip excitator cu masă concentrată (hidrodinamic, mecanic, electro-mecanic). Acest tip de excitaţie este definit de utilizator şi este controlabil ca frecvenţă, timp de aplicare, amplitudini, etc.

Excitaţiile de bandă lată: se utilizează dispozitive de generare de tip hidraulic, sau electromecanic. Semnalele de excitaţie sunt de tip “zgomot alb” sau semnal “multiarmonic”. Şi acest tip de excitaţii este controlat de utilizator.

Excitaţii ambientale, produse de acţiunile din mediul natural, care dezvoltă vibraţii în structură şi care provin din acţiunea traficului sau a vântului (uneori explozii). Aceste excitaţii nu pot fi nedeterminate riguros şi sunt modelate numai pe baza de studii statistice.

Utilizarea excitaţiilor controlate, impune închiderea circulaţiei rutiere pe structură pentru a elimina influenţa traficului curent asupra măsurătorilor. Spre deosebire de încercarea sub excitaţii ambientale, încercarea dinamică sub excitaţii controlate, trebuie efectuată pe o perioadă cu vânt cat mai slab.

Dacă se urmăreşte determinarea caracteristicilor dinamice proprii ale structurii încercate, se apreciază ca se pot utiliza excitaţii forţate, controlate de utilizator şi generate de dispozitive mecanice, hidraulice sau electro-mecanice.

Dacă se doreşte însă urmărirea şi verificarea comportamentului vibratoriu al structurii, măsurarea efectelor excitaţiilor ambientale sunt cele mai pertinente pentru încercare.

9


2.2. Încercări dinamice cu excitaţii forţate, controlate.

Excitaţia este realizată cu dispozitive generatoare de vibraţii (montate pe structură) care transmit o sarcină dinamică la structura de rezistenţă a podului. Încercările dinamice sub excitaţii forţate controlate, au la baza principiul că un răspuns dinamic măsurat pe baza unei excitaţii controlate, permite determinarea caracteristicilor dinamice proprii şi a funcţiei de transfer a lucrării încercate.

Se utilizează în mod curent următoarele dispozitive generatoare de excitaţii forţate:

Excitator cu masă excentrică. Masă excentrică în mişcare, produce o forţă excentrică amplasată la o distanţă variabilă de axul roţii pe care este fixată masa. excitaţia are amplitudine constantă, corelata cu masa şi viteza de rotație a dispozitivului. Frecvenţa excitaţiei poate fi modificată prin modificarea vitezei de rotaţie a dispozitivului.

Dispozitivele de excitaţie de acest tip (cele mai simple cu o masă, cele mai moderne cu mase multiple), generează acţiuni dinamice sinusoidale, proporționale cu pătratul vitezei de rotaţie.

Acest tip de excitaţie se mai numeşte şi excitaţie sinusoidală, recomandându-se stabilirea înainte de încercarea dinamică a domeniului de frecvenţe ce caracterizează structura, pentru a evita excitaţiile cu frecvenţe în vecinătatea rezonanţei.

Excitatori de tip hidraulic sau electrodinamic, generează efecte dinamice mult mai importante decât excitatorul cu masă concentrată. acţiunea este generată prin deplasarea controlată a unei pompe de înalta presiune, ataşată la un sistem hidraulic. Când funcţionează, dispozitivul constă în deplasarea unei mase cu ajutorul unui sistem de acţionare servo-hidraulic. Pentru a obţine excitaţii cu amplitudini diferite, greutatea masei poate fi modificată, dispozitivul putând produce vibraţii de nivele ridicate, cu frecvenţe diferite, cu efecte de încovoiere sau torsiune. În ultimii ani s-au dezvoltat dispozitive care permit generarea excitaţiilor aleatoare într-o bandă de frecvenţă de (2,00-3,00) ÷(20,00-30,00) Hz.

2.3. Încercări dinamice cu excitaţii de tip impuls.

Reprezintă modalitatea cea mai simplă şi cea mai utilizată de generare a excitaţiilor pentru încercarea dinamică. Un şoc este un fenomen tranzitoriu cu o durată scurtă de timp şi se distinge net de excitaţia armonică (fenomen periodic, caracterizat prin amplitudine şi frecvenţă) şi de excitaţia aleatoare (caracterizată statistic prin parametrii specifici fenomenelor aleatoare).

Excitaţia de tip impuls sau şoc, constă în:

- efectul căderii pe structură, de la o înălțime controlată, a unei mase cunoscute. Acest

mod de generare a şocului este utilizat rar la încercările dinamice deoarece masele (uneori importante) în cădere liberă pe structură, pot produce degradări locale ireversibile asupra acesteia;

- efectul căderii, pe o înălțime controlată, a unei mase cunoscute, agăţate sub structură.

Acest mod de generare a şocului este utilizat de asemenea rar la încercările dinamice; - şocul produs de un ciocan instrumentat (sau nu) pe un element structural local (cablu

sau hobană);- excitaţia generată de trecerea în mişcare, cu viteza cvasiconstantă, a unui vehicul greu

(sau convoi de doua vehicule grele), de masă şi alcătuire geometrică şi fizică măsurată, peste un obstacol standard artificial, de înălţime controlată (un dulap de lemn sau alt material rigid, cu înălțime de 30-50 mm), amplasat în secţiunile caracteristice ale structurii încercate. În mod frecvent, se utilizează un convoi alcătuit

10


din două vehicule grele, circulând în paralel şi traversând obstacolul simultan, cu viteză constantă.

Impulsul se aplică pe o perioadă de timp foarte redusă, iar răspunsul trebuie măsurat în timp real, ultima variantă de generare de excitaţie, reprezentând una din metodele cele mai simple pentru măsurarea frecventelor şi a decrementului logaritmic al amortizării structurii sau a unor elemente structurale izolate.

2.4. Verificări dinamice produse de acţiuni generatore de vibraţii (convoaie sau excitaţii ambientale).

Acest tip de verificare este extrem de utilizat pentru măsurarea comportamentului dinamic al unor structuri în exploatare, frecvenţă ridicată de aplicare fiind susţinută de progresele remarcabile ale performanţelor sistemelor de achiziţie, stocare şi interpretare a datelor furnizate în timpul încercării.

Excitaţia poate fi produsă de convoaie sau fenomene naturale:

- convoaie frecvenţe reprezentate de vehicule în mişcare, din trafic;

- acţiunea vântului;

- acţiunea pietonilor în mişcare;

- alte încărcări, sau combinaţii de încărcări acţionând simultan în exploatare.

Se disting două tipuri de excitaţii ambientale:

- Excitaţii ambientale de serviciu: generate în lucrare, în exploatarea curentă (din

convoaie curente, vânt, etc.), cu perioada de revenire extrem de redusă şi care corespund solicitărilor frecvente: Vântul turbulent este o sursă de excitaţie caracterizată de frecvenţe reduse pe

domeniul (0,00-1,00) Hz. excitaţia din acţiunea vântului este modelată statistic prin spectre de răspuns. Specificitatea acțiunilor de tip excitator, asociată cu comportarea reală a structurii poate conduce însă la erori de interpretare cauzate de cuplarea între suprapunerea excitaţiilor din mai multe acţiuni şi cuplarea între excitaţii şi structură. Astfel, vântul exercită fenomene aeroelastice, cuplate cu deplasările generale ale structurii. Pentru structurile cu sensibilitate ridicată la acţiunea vântului - poduri hobante sau suspendate, paserele cu alcătuire complexă – analiza dinamică se impune a fi dezvoltat pe un sistem complex care modelează legătura dintre structura de rezistenţă şi fluidul în care oscilează. Interacţiunea fluid-structură introduce conceptul de rigiditate şi amortizare aerodinamică, coeficienţii de amortizare determinaţi pe teren din acţiunea dinamică a vântului, diferă puternic de coeficienţii de amortizare specifici ai structurii, supusa altor tipuri de excitaţii.

Traficul rutier excită structura cu frecvenţe cuprinse în domeniul (2,0-20,0) Hz, spectrul încărcării fiind caracterizat de un domeniu general de variaţie între (2,0-6,0) Hz.

Traficul pietonal are efecte reduse din punct de vedere al vibraţiilor pe structurile podurilor concepute să suporte traficul din convoaiele grele, rutiere sau feroviare. Acţiunea pietonilor ca sursă de excitaţie se manifestă în special pe paserele, atât pe direcţie verticală (cu o frecventă de excitaţie de 1,0-2,0 Hz) cât şi pe direcţie transversală (cu o frecvenţă de 1,0 Hz).

11


- Excitaţii ambientale accidentale, excepţionale, cu amplitudini şi acceleraţii mari sunt

caracterizate de perioade de revenire foarte largi (de ordinul sutelor de ani). Acestea produc efecte şi solicitări extreme, (cutremure violente, tornade, explozii, etc.), nu se pot asocia cu încercările dinamice comune ale structurilor de poduri, deoarece au caracter greu predictibil.

- Excitaţii ambientale accidentale curente, cu amplitudini şi acceleraţii reduse, au

efecte la suprafața terenului în care este amplasată structura. Acest tip de excitaţie generat de cutremurele slabe, are un caracter tranzitoriu şi se manifestă pe durate reduse de timp (sub 10 secunde) având însă o utilizare restrânsă deoarece “microseismele” sunt caracterizate de amplitudini şi acceleraţii reduse care nu pot fi captate decât de dispozitive foarte sensibile, efectul fiind mascat de zgomotul de fond. Acţiunea acestor excitații, poate fi măsurată plasând accelerometre în amplasamentul lucrării, direct pe teren (sau pe fundaţii). Acest tip de excitaţii are o frecvenţă redusă de manifestare, necesitând o supraveghere continuă care ar putea fi asociată cu monitorizarea lucrării pe perioada de serviciu.

Aceste excitaţii au caracter stochastic staţionar fiind caracterizate de o densitate spectrală cu o bandă de frecvenţe destul de largă încât să producă excitaţia modurilor dominante de oscilaţie a structurii. În consecinţă, răspunsul structurii permite determinarea caracteristicilor dinamice proprii ale acesteia după cum, modelarea incompletă a excitaţiei antrenează imposibilitatea deducerii unui răspuns dinamic corect.

Deşi estimarea frecvenţelor şi a modurilor proprii de vibraţie a structurii (verificate dinamic sub excitaţiile generatoare de vibrații), se face cu o precizie rezonabila, estimarea coeficienţilor de amortizare este caracterizată de incertitudini şi erori de apreciere.

Sursele cele mai importante care produc erorile de estimare a nivelului de amortizare structurala, sunt:

- nestaţionaritatea excitaţiilor ;

- excitarea insuficientă a modurilor dominante de vibraţie, care alterând răspunsul

structurii alterează şi nivelul de amortizare real;- funcţia de transfer poate fi alterată de amplitudinea excitaţiei;

- alegerea necorespunzătoare a procedurilor de interpretare a semnalelor reprezentate

de rezultatele înregistrăriiparametrilor măsuraţi în timpul încercării dinamică sau de imperfecţiunea modelului dinamic de analiză modală a structurii.

Întrucât nivelele de amortizare depind de evoluţia în timp a amplitudinii oscilaţiilor, controlul statistic numeric al variaţiei excitaţiei în timp, complica exploatarea măsurării competitive a vibraţiilor în vederea determinării nivelelor de amortizare efective în structură.

În concluzie, în Tabelul Nr. 2.1. sunt rezumate avantajele sau inconvenientele utilizării diferitelor tipuri de excitaţii, la încercările dinamice funcţie de scopul urmărit la încercare:

12


Tabelul Nr. 2.1 Tipuri de masuratori si intrebuintarea lor

Nr. Scopul încercării dinamice

Tip de excitaţie

Forţată Şoc Ambientală

1 Măsurare frecventă recomandat recomandat recomandat

2 Determinare deformații recomandat recomandat recomandat

3 Determinare nivele amortizare nerecomandat recomandat recomandare redusa

4 Nivel vibrtaoriu la încercare nerecomandat nerecomandat recomandat

5 Excitaţii de frecvenţă joasă nerecomandat recomandat recomandat

6 Excitaţii de frecvenţă înaltă recomandat recomandat recomandare redusa

7 Supraveghere periodică recomandat recomandat recomandat

8 Supraveghere continua nerecomandat nerecomandat recomandat

9 Controlul amplitudinii vibraţiilor recomandat recomandat nerecomandat

10 Costul încercării ridicat mediu redus

2.5. Parametrii măsuraţi la încercările dinamice.

2.5.1. Alegerea parametrilor ce trebuie măsuraţi la încercările dinamice.

Sistemele moderne de achiziţie de date în domeniul încercării dinamice a structurilor de poduri, au la bază în special utilizarea accelerometrelor. Deşi în ultimii ani au apărut şi alte sisteme şi dispozitive de măsurare dinamică, (punţi tensometrice, vitezometre şi chiar recent sisteme GPS sau radar), accelerometrele sunt cel mai frecvent utilizate.

Selecţia parametrului ce urmează a fi măsurat în timpul investigării dinamice (deplasarea, viteza, acceleraţia, deformaţia), este corelat cu parametrul pe care spectrul este cel mai uniform posibil.

13


În Tabelul Nr. 2.2, sunt propuse câteva principii generale de selecţie a mărimii recomandate a fi măsurată în scopul determinării parametrilor de comportare dinamică cei mai sugestivi ai structurii podului.

Tabelul Nr. 2.2 Marimi masurate in incercari dinamice

Nr. Parametrul măsurat Condiţii de utilizare şi parametrii de comportare dinamică recomandaţi.

1 Acceleraţia 1 Analiza forţelor dinamice de inerţie.

2 Gabarit redus dispozitiv măsurare.

2 Viteza 1 Analiza vibraţiilor.

3 Deplasarea 1 Amplitudini importante ale deplasărilor.

2 Deplasări care dau informaţii asupra deformaţiilor specifice.

3 Analiza deplasărilor relative în structura.

4 Deformaţia 1 Variaţia semnificativă a deformaţiilor specifice.

2.5.2. Alegerea parametrilor pe criterii metrologice.

La încercările dinamice, alegerea aparaturii şi tehnicilor de măsurare cele mai adecvate, trebuie corelată nu numai cu tipul de mărime fizica care se cercetează (acceleraţie, deplasare, efort unitar, deformaţie specifică) dar şi cu alţi factori care deşi nu sunt legaţi de tipul echipamentelor, pot influenta decisiv alegerea instrumentaţiei de încercare şi a tehnicilor de măsurare:

- costul încercării;

- calificarea personalului;

- timpul de care se dispune pentru efectuarea încercării dinamice (durata corelata cu

întreruperea traficului pe pod pe durata încercării sau cu condiţiile meteorologice optime);

- eficacitatea metodelor disponibile pentru analiza datelor;

- timpul disponibil pentru validarea datelor şi pentru prezentarea concluziilor asupra

încercării dinamice.

Echipamentele care pot fi folosite la analiza dinamică pot fi clasificate funcție de:

- parametrii care se impun a fi măsuraţi:

accelerometre; vitezometre; deplasări; deformaţii specifice; rotiri; presiune.

- principiul fizic care stă la baza funcţionarii:

rezistiv; capacitiv; inductiv; piezo-electric.

14


- caracterul parametrului măsurat (relativ sau absolut);

- funcţie de durata măsurătorii.

În Tabelul Nr. 2.3. sunt sintetizaţi cei mai importanţi factori care condiționează alegerea echipamentelor.

Tabelul Nr. 2.3. Factori care conditioneaza alelegerea echipamentelor

Nr. Factori de bază Tip de date achiziţionate şi caracteristici de bază dispozitive de măsurare

1.

Parametrii măsuraţi.

1. Acceleraţia.

2. Viteza.

3. Deplasarea.

4. Deformaţia specifică.

5. Presiunea.

6. Înclinarea.

2. Caracteristicile mișcării.

1. Banda de frecventă.

2. Amplitudine.

3. Defazaj.

4. Direcţie.

5. Amortizare.

6. Durata mişcării.

3. Tip de măsurătoare. 1. Relativă.

2. Absolută.

4. Condiţii de mediu.

1. Temperatura.

2. Umiditate.

3. Însoleiere.

4. Mediu agresiv.

5. Câmp electromagnetic.

6 Radiaţii.

5. Caracteristici de bază ale dispozitivelor de măsurare

1. Electronice (sensibilitate, precizie, răspuns în frecvenţă sau fază).

2. Fizice (gabarit, masă).

3. Calităţi de izolare.

4. Condiţii de alimentare.

6. Tip şi mod de fixare

1. Influenţa fixării asupra dispozitivului.

2. Influenţa fixării asupra structurii.

3. Numărul de puncte de măsură.

4. Gabarit minim disponibil pentru fixare.

15


5. Accesibilitatea pentru instalare şi întreţinere.

6. Facilităţi şi timp de instalare.

7. Restricţii de montare corelat cu direcţia de măsurare.

7. Sistem de măsurare

1. Mod de alimentare electrică.

2. Caracteristici electrice de alimentare (I/O).

3. Număr de căi de măsură.

4. Nivele de interferenţă.

5. Calitate măsurători în timp real.

8. Metode de transmitere a datelor

1. Cablu coaxial.

2. Fibră optică.

3. WIFI

4. GSM

5. GPS

6. Internet.

9. Sistem de înregistrare a datelor.

1 Caracteristici electrice.

2 Portabilitate.

3 Corelare între înregistrare şi mărimea fizică măsurată

4 Tip de alimentare.

10. Metodologie de analiză a

datelor încercării.

1. Manuală.

2. Automată.

3. Format de prezentare.

2.5.3. Captorii de măsurare dinamică.

Generic, un captor este un dispozitiv fizic care converteşte energia de intrare a fenomenelor fizice măsurate (de natură mecanică, electrică, termică, magnetică, etc.) în energie de ieşire care se măsoară în parametri electrici (tensiune, intensitate, rezistenţă, etc.) sau mecanici. Variabilele măsurate includ acceleraţia, viteza, distanţa, presiunea, etc. Energia de ieşire este descrisă sub formă de semnal analogic care este convertit în semnal numeric ce poate fi stocat şi analizat de computer prin intermediul unor softuri specializate. Orice captor se compune din doua elemente distincte:

- nucleul de măsurare, reprezentând elementul fundamental de transformare a energiei

de intrare în energie de ieşire. Dispozitivele simple conţin un singur mecanism de măsurare, actualmente sunt produse însă dispozitive complexe care încorporează mai multe sisteme de măsurare;

- cutia dispozitivului care protejează “mecanismul de măsurare” precum şi toată partea

electronică de conectare, alimentare şi ieşire la aparatura de transmitere şi înregistrare de date.

Criteriile care stau la baza alegerii tipului de captor sunt următoarele:

- performanţa şi precizia de măsurare;

16


- influenţa datelor de mediu în care este amplasat captorul, asupra rezultatelor

măsurătorilor (câmp magnetic, temperatură, umiditate, dimensiuni structură);- consideraţii economice (costul, siguranţa, costurile de instalare şi demontare).

După alegerea tipului de parametru necesar a fi măsurat, în condiţii frecvenţe de utilizare (la încercări statice sau dinamice), captorii au următoarele caracteristici de performanţă:

- domeniul de măsurare (diferenţa dintre valoarea de ieşire maximală şi minimală);

- sensibilitatea (care indică nivelul răspunsului la excitaţie);

- rezoluţia măsurătorilor;

- linearitatea;

- răspunsul în frecvenţă;

- banda de frecvenţă de utilizare;

- frecvenţa de rezonanţă.

2.6. Dispozitive utilizate la măsurarea deformaţiilor.

O lista mai completa a dispozitivelor utilizate in măsurareadeformațiilorîmpreuna cu descrierea lor este data in ANEXA 3. Acolo aparatele sunt clasificate in funcție de principiul lor de funcționare si părtile componente.

Unele din cele mai frecvente si moderne dispozitive de măsurare sunt enumerate in cele ce urmează:

2.6.1. Mărci tensometrice.

Sunt utilizate frecvent la încercări dinamice (statice) şi constau dintr-o reţea de fire metalice fine, (conductoare de electricitate), depuse pe un suport plastic, izolant. Reţeaua de fire conductoare este legată la o punte tensometrică care converteşte modificările de rezistenţă în deformaţii. Mărcile sunt lipite de structura-suport în punctele de măsurare a deformaţiilor. Principiul de funcţionare este bazat pe corelaţia între rezistenţa electrică a firelor conductoare şi variaţia lungimii acestora (care se alungesc sau scurtează după cum se deformează suportul structural încercat).

Marca este precisa şi sensibilă la deformaţii numai pe direcţia pe care este orientată reţeaua de fire conductoare, controlul strict al orientării pe direcţia de măsurare dorită fiind esenţială în precizia rezultatelor măsurătorii.

În acest sens, pentru încercările dinamice sunt disponibile:

- mărci unidirecţionale (direcţie de măsurare unică: orizontală, verticală sau pe direcţie

înclinată);- bidirecţionale (măsurare simultană pe doua direcţii principale, orizontală şi verticală);

- multiple, care măsoară simultan, deformaţiile pe mai multe direcţii.

Dimensiunile mărcilor trebuie corelate cu rezoluţia şi precizia de măsurare. La încercările dinamice caracterizate dedeformaţii cu evoluţii rapide în timp, se recomandă utilizarea unor mărci tensometrice cu lungimea mai mică decât 1/6 din lungimea undei de vibraţie a elementului încercat. De asemenea, variaţiile de temperatură în timpul încercării pot influenţa rezultatele măsurătorilor, fiind indicată utilizarea unor mărci compensate cu temperatura din structura încercată.

Se recomandă de asemenea utilizarea mărcilor lipite de structură, sistem de fixare care asigură transferul integral la dispozitivul de măsurare, al deformaţiei suportului pe care mărcile sunt fixate. De aceea, suprafaţa de fixare trebuie curăţată şi pregătită cu atenţie deosebită pentru a permite o fixare sigură a mărcii pe structură. În plus, utilizarea procedurii de lipire cu adezivi

17


normali, dă rezultate bune numai pentru încercările de scurtă durată. Pentru încercări de durată îndelungată este necesară utilizarea unor adezivi speciali, stabili în timp, care prezintă:

- stabilitatea proprietăților mecanice şi chimice în timp,

- insensibilitate la variaţii de temperatură, umiditate sau oboseală cauzată de vibraţii,

- efecte reduse de fluaj.

2.6.2. Captori

Captorii cu fibra optică reprezintă sisteme de măsurare utilizate frecvent în ultimii ani deoarece sunt:

- precise;

- insensibile la interferenţe electromagnetice;

- stabile în timp, putând fi utilizate cu succes în cazul măsurătorilor de lungă durată,

sau monitorizărilor;- capacitate de multiplexaj (transmitere de date multiple: pe aceeaşi fibră optică-suport,

se pot transmite simultan zeci de tipuri de date);- inerte la agresiunea chimică a materialelor de fixare;

- inerte la agresiunea chimică a mediului;

- inerte la agresiunea chimică a materialelor în care sunt înglobate, permiţând

înglobarea în structură. La structurile noi sau la tablierele reparate, captorii cu fibră optică se pot amplasa în interiorul materialului component, fiind fixate pe armătură sau cabluri.

Sunt utilizate tehnologii de măsurare care transformă modulaţiile de intensitate, schimbarea de polaritate sau decalajul de lungime de undă în deformaţia structurii încercate.

Fibra optică poate fi utilizată pentru realizarea dispozitivului de măsurare (captor intrinsec) sau pentru transmiterea şi ghidarea “luminii” care modelează datele de ieşire ale încercării către dispozitivele de înregistrare şi stocare a rezultatelor.

Întrucât în sistemele de măsurare convenţionale, conexiunile electrice sunt afectate de sursele de interferenţă electromagnetică (linii de înaltă tensiune din proximitatea sau fixate pe lucrarea încercată, perturbaţii atmosferice), fibra optică fiind insensibilă la aceste fenomene, poate fi utilizata cu mult succes, în orice amplasament, la încercări dinamice şi monitorizare dinamică pe durata îndelungata.

Captorii pe bază de fibră optică pot fi instalaţi prin lipire (la exteriorul structurii), sau în interiorul materialului component (captori înglobați în structură la execuţie, fixaţi pe armatura moale sau pe cablurile de precomprimare – în cazul structurilor din beton) cu condiția asigurării unui contact mecanic adecvat între dispozitiv şi structură. De asemenea, senzorii pe bază de fibră optică pot fi fixaţi pe cabluri sau hobane, sub eventualele elemente de protecţie a cablurilor.

Dispozitivele pe bază de fibră optică pot fi cu:

- cuplaj parțial cu bază scurtă de măsurare (lipiţi sau înglobaţi în structură), eforturile

(deformațiile) sunt transmise numai de pe zonele de fixare;- cuplaj total (fibra optică este înglobată în structură, pe toata lungimea acesteia), se

adoptădacă sistemul de captori înglobat, poate fi protejat la execuţie.

18


2.7. Dispozitive utilizate la măsurareadeplasărilor.

Pentru măsurarea deplasărilor sunt disponibile mai multe sisteme şi tehnologii de captori de măsurare în regim dinamic:

- captori potenţiometrici.

- captori capacitivi.

- captori inductivi.

- captori cu transformator diferenţial (LVDT – Linear Variable Differential

Transducer).- captori optici.

- camere foto-video digitale de clasă rapidă sau ultrarapidă, pentru captarea imaginilor

de înregistrare-măsurare cu cadenţă ridicată (1.000-100.000 imagini/secundă).

2.8. Dispozitive utilizate la măsurareaacceleraţiilor.

Acceleraţiile sunt măsurate cu dispozitive de tip accelerometru, care reprezintă actualmente captorii cei mai utilizaţi în domeniul măsurării vibraţiilor. Accelerometrele prezintă multiple avantaje:

- gabaritul dimensional redus,

- montaj simplu,

- date măsurate cu precizie ridicată,

- bande de frecvenţe extinse.

Accelerometrul este un dispozitiv care măsoară acceleraţii în punctele unde este fixat. Dacă structura pe care este fixat dispozitivul este supusă deplasărilor cu anumite acceleraţii, forţele de inerţie generate (proporţionale cu masa şi acceleraţia) produc vibraţii în sistem care sunt captate de accelerometru şi transformate în semnal de ieşire.

Proprietățile de bază ale accelerometrului (conceput ca un oscilator cu un grad de libertate dinamică, alcătuit dintr-o masă care acţionează un resort şi un amortizor vâscos ataşate la un suport fix), sunt sintetizate de:

- amplitudinea răspunsului (în cazul unei excitaţii armonice),

- raportul unitar între amplitudinea vibraţie a suportului de fixare şi amplitudinea

accelerometrului (aceasta semnifică faptul că vârfurile accelerațiilor celor două obiecte - suportul şi dispozitivul de măsurare - sunt identice, pentru o bandă de frecvenţă sub frecvenţa proprie a accelerometrului).

La încercările şi investigaţiile dinamice ale structurilor lucrărilor de artă, se utilizează în mod curent accelerometre cu amplitudine redusa şi frecventă joasă, de tip:

- piezoelectric,

- capacitiv,

- servo-accelerometru (pentru măsurători de înaltă precizie).

Alegerea tipului de accelerometru cel mai adecvat măsurătorii, trebuie corelată cu amplitudinea, frecvenţa, sensibilitatea la condiţiile de mediu şi restricţiile de montaj şi cablaj.

2.9. Metode de fixare a captorilor.

La alegerea sistemului de fixare a dispozitivelor de măsurare se iau în considerare următoarele aspecte:

19


- partea din lucrare la care se fac măsurători:

suprastructură; infrastructură; fundaţii.

20


- tipul de structură de rezistenţă:

structuri din beton; structuri metalice; structuri mixte; structuri flexibile pe cabluri (poduri hobanate, suspendate, arce cu tiranţi).

- tipul de alcătuire secţională a structurii sau elementelor de rezistenţă caracteristice:

suprastructuri pe grinzi; suprastructuri casetate; tiranţi, cabluri, etc.

- importanţa poziţiei pe structură asupra rezultatelor măsurătorilor;

- sensibilitatea captorului la condiţiile de mediu (câmp magnetic, temperatură,

umiditate);- caracterul de repetabilitate (dacă captorii pot fi reinstalaţi în acelaşi amplasament sau

dacă rămân permanent pe structură, în cazul monitorizării de lungă durată).

Tipul de fixare ales, depinde şi de alţi factori. Astfel, pentru măsurarea cu precizie a vibraţiilor, trebuie să ne asiguram că masa adiţională a sistemului de fixare nu influenţează caracteristicile dinamice ale elementului structural încercat sau dacă iterează gama de frecvenţe şi parametrii dinamici ai dispozitivului de captare.

De asemenea punctele de fixare (măsurare) trebuie să fie reperate uşor în cazul repetării încercărilor.

Sistemul de fixare ales, trebuie să răspundă şi altor cerințe cum ar fi:

- costul sistemului de fixare (raportat la costul total al încercării);

- nivelul maxim de efort sau vibraţii la care rezistă;

- în cazul sistemului cu șuruburi de fixare, dacă operaţia de perforare multiplă a

structurii este permisă, tolerată sau chiar interzisă;- dacă după încercare şi demontarea sistemelor de măsurare, captorii, suporţii (şi chiar

structura) pot fi curăţaţi.

Funcţie de aceste restricţii, se utilizează frecvent următoarele sisteme de fixare a captorilor:

2.9.1. Fixarea prin înșurubare (sau suport intermediar).

Acest sistem permite o poziţionare sigură a captorilor şi măsurarea vibraţiilor de frecvenţă înaltă fără riscul de desprindere a dispozitivului de măsurare, de structura pe care este fixat.

2.9.2. Fixarea cu adezivi (lipire).

Sistemul de fixare prin lipire, este caracterizat de stabilitate şi durabilitate în timp, este insensibil la variaţiile de temperatură, în plus, furnizează un sistem de izolare electrică şi magnetică a captorului.

Daca suprafețele pe care se aplică adezivul sunt bine curățate şi tratate, fixarea prin lipire rezistă la încercări vibratorii de frecventă înaltă fără a fi alterat sistemul de fixare.

Există pe piaţă diferite tipuri de adeziv, care fixează corespunzător captorii de măsurare a deplasărilor, vitezelor sau acceleraţiilor în punctele de măsurare. Se pot utiliza - corelat cu caracterul definitiv sau provizoriu, numai pe perioada încercărilor după care se demontează –

21


sisteme de fixare cu adezivi pe bază de salicilat de fenil, cianoacrilaţi, răşini epoxidice, cimenturi (mortare) speciale cu întărire rapidă, etc.

Alegerea materialelor de lipire trebuie făcută cu multă atenţie deoarece, la demontarea dispozitivului de măsurare, poate fi distrus stratul suport. De exemplu, fixarea pe structură a captorului cu rășini epoxidice puternice, este contraindicată, deoarece la demontare, poate fi smuls materialul structural şi alterată suprafața betonului sau a sistemului de protecție anticorozivă (la structurile metalice). Aceste inconveniente, sunt şi mai evidente la structurile mari, la care numărul dispozitivelor din sistemul de măsurare este important.

2.9.3. Fixarea cu suporţi magnetici (pe structurile metalice).

Sistemul se aplică la încercarea structurilor metalice (evident cu proprietăți fero-magnetice), se montează şi demontează rapid, nu necesită o pregătire specială a suprafeţelor de fixare (cu condiţia ca acestea să fie plane, netede şi curate) iar la demontare nu degradează elementele structurale pe care au fost aşezate.

Este sistemul de fixare cel mai indicat pentru construcţii metalice cu condiţia ca:

- sistemul de funcţionare al captorilor să fie compatibil cu fixarea magnetică;

- nivelul vibraţiilor structurii metalice încercate să fie redus.

În consecinţă, sistemul de fixare cu suporţi magnetici poate fi utilizat în cazul unor vibraţii caracterizate de nivele reduse de acceleraţii, prezentând avantajul multiplicării punctelor de măsurare (prin deplasarea rapidă a dispozitivelor de măsurare) cu utilizarea unui număr redus de captori (deci cu cheltuieli mai reduse).

Acest sistem de fixare nu este recomandat însă la încercările dinamice de tip tranzitoriu (şoc), deoarece la încercare, captorul se poate deplasa (sau desprinde) împreuna cu sistemul de fixare magnetic de care este ataşat, generând măsurători cu precizie redusă sau complet eronate.

2.9.4. Fixarea cu dispozitive mecanice, rigide.

Dispozitivele mecanice de fixare, sunt utilizate în cazul în care trebuie utilizaţi captori complecşi sau aceştia trebuie fixați pe elemente structurale cu alcătuiri particulare. De exemplu, dacă se doreşte utilizarea unui dispozitiv de măsurare pe trei direcţii ortogonale (captor tridirecţional care poate înlocui trei captori unidirecţionali), se poate concepe un dispozitiv mecanic special, adaptat la particularitățile de măsurare impuse.

Dacă dispozitivele de măsurare trebuiesc dispuse vertical şi fixate pe suprafeţele unor elemente structurale înclinate (pereţii laterali, înclinaţi ai secţiunilor casetate din beton sau pe suprafeţele înclinate ale extradosului sau intradosului arcelor), pot fi proiectate dispozitive mecanice speciale (din metal sau material sintetic), adaptate geometriei şi suprafeţelor structurale, care să permită fixarea verticală a captorului şi în consecinţa măsurători in structura încercată, pe direcţie verticală.

De asemenea suporţii mecanici trebuie să fie suficient de rigizi astfel încât să nu altereze prin caracteristicile lor de flexibilitate şi de amortizare, valorile măsurate de captor, pe structura încercată (de exemplu la măsurătorile vibraţiilor pe cabluri sau hobane).

2.9.5. Așezarea simplă (fără fixare) pe structură.

Se aplică atunci când se studiază oscilaţii cu amplitudini reduse. În această situaţie sunt necesare însă, dispozitive de măsurare de mare precizie, care se așează direct pe structură, în punctele de măsurare.

În concluzie în Tabelul Nr. 2.4 sunt evidențiate câteva principii generale pentru selecţia (funcţie de avantaje şi restricţii) a diferitelor sisteme de fixare a captorilor.

22


Tabelul Nr. 2.4. Sisteme de fixare a captorilor

Nr. Tip de fixare. Avantaje. Inconveniente (restricţii).

1 Fixarea prin înșurubare (sau suport intermediar).

Fără restricţii de folosire. Deteriorarea locală a structurii prin perforare.

2 Fixarea cu adezivi (lipire). Rapiditate de aplicare. Nu se deteriorează

structura.

Nu se poate regla modul de fixare.

Suport de fixare obligatoriu vertical.

3 Fixarea cu suporți magnetici.

Rapiditate de aplicare. Numai pe structuri metalice.

Se utilizează numai la captorii piezo-electrici.

4 Fixarea cu dispozitive mecanice, rigide.

Posibilitate de reglaj fin (vertical sau orizontal).

Deteriorarea ireversibilă a suportului.

2.10. Organizarea instrumentării.

După alegerea tipului de captor adecvat, poziţia şi numărul acestora trebuie alese astfel încât să răspundă optim obiectivelor finale ale evaluării sau încercării dinamice. Dacă nu se dispune de o verificare teoretică dinamică adecvată (indispensabilă la structurile complexe pentru organizarea instrumentării), aprecierea intuitivă a modului de vibrare al structurii este riscantă mai ales la structurile complexe. În aceste situaţii, (în special la structurile flexibile, sensibile la oscilaţii spaţiale) o analiză dinamică teoretica preliminară este obligatorie pentru alegerea sistemului, tipului, numărului şi amplasamentul instrumentelor de măsurare pe structură.

Se respectă regulă de bază conform căreia, încercarea dinamică având la bază o reţea fină de captori conduce la o descriere corespunzătore a comportamentului real al structurii. Trebuie găsit însă un echilibru între numărul minim de captori, acurateţea rezultatelor şi costul încercării, întrucât un număr mare de instrumente în poziție fixă, necesită un sistem de achiziţie de date de volum ridicat, un sistem de transfer de date performant şi un sistem de stocare de mare capacitate, care măresc costul încercării. Pe acest considerent, se procedează la instrumentarea cu un număr mai mic de captori, amplasaţi în punctele caracteristice din punct de vedere al comportamentului dinamic şi care permit identificarea globală a deformaţiilor modale. Pentru a completa datele încercării, o parte din coptori rămân ficşi în secţiunile cele mai importante (la jumătatea deschiderilor, pe pile la partea superioară, pe arce la cheie, pe pilonii şi cablurile podurilor hobanate, etc.), în două sau trei planuri longitudinale de instrumentare, iar restul sunt mobile, deplasându-se în punctele în care nu se dispune de date suficiente la încercare. Se repetă instrumentarea pe elementele secționale vecine, pe alte grinzi ale tablierului sau pe celelalte arce, etc.

Instrumentarea minimă trebuie să pună însă în evidenţă şi modurile proprii de vibraţie particulare (de tip torsiune). Pe acest considerent, la structurile late, este necesară prevederea pe lățimea tablierului, (în aceeași secţiune a structurii podului), a mai multor captori pe suprastructură (minim în axul grinzilor marginale şi în axul structurii) precum şi pe lăţimea infrastructurilor.

23


2.11. Conținutul proiectului şi organizarea încercării dinamice.

Normele internaționaleprecizează cum trebuie organizat, conţinutul şi concepţia încercărilor dinamice. Acestea trebuie să descrie:

- caracteristicilelucrării care trebuie încercate;

- obiectivul încercării dinamice;

- metodele adoptate la încercare;

- planul de instrumentare.

În final se adopta un Raport de încercare dinamică, care trebuie să conţină:

- analiza dinamică teoretică a structurii de rezistenţă încercate;

- echipamentele şi instrumentele de măsurare;

- descrierea amplasamentului, numărului şi modului de operare a măsurătorilor;

- evaluarea calităţii rezultatelor şi concluzii asupra modului de comportare a structurii

în exploatare la acţiunea sarcinilor dinamice.

24

Documents

2.Principii de Masurare