PL243816B1

PL243816B1 - Sposób pomiaru stopnia wykorzystania nośności ustroju konstrukcyjnego budynku

Info

Publication number: PL243816B1
Application number: PL433466A
Authority: PL
Inventors: Marcin Osiniak; Edward Antoszkiewicz; Zbigniew Pióro; Stanisław Wierzbicki
Original assignee: Wisene Spolka Z Ograniczona Odpowiedzialnoscia
Priority date: 2020-04-04
Filing date: 2020-04-04
Publication date: 2023-10-16
Also published as: EP3889567A1; PL433466A1; US20210310896A1; US11422056B2

Abstract

Wynalazek dotyczy sposobu pomiaru stopnia wykorzystania nośności ustroju konstrukcyjnego, poddawanego oddziaływaniom zmiennym, obejmującego pomiary kątów obrotu przekrojów poprzecznych tego ustroju konstrukcyjnego, przy czym obrót spowodowany jest oddziaływaniami zmiennymi, charakteryzującego się tym, że wykonuje się pomiary kątów α1 i α2 obrotu przekrojów poprzecznych ustroju konstrukcyjnego wokół osi (Z) prostopadłej do przekroju podłużnego tego ustroju konstrukcyjnego, w dwóch punktach (A i B) tego ustroju konstrukcyjnego, położonych symetrycznie względem jego poprzecznej osi symetrii, a następnie jako miarę stopnia wykorzystania nośności ustroju konstrukcyjnego wykorzystuje się większą ze zmierzonych wartości kątów α1 i α2.

Description

Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru stopnia wykorzystania nośności ustroju konstrukcyjnego budynku poddanego oddziaływaniom zmiennym, przykładowo obciążonego zalegającym śniegiem. Sposób może być wykorzystany w systemach monitorowania stopnia wykorzystania nośności (stopnia zagrożenia bezpieczeństwa) konstrukcji dachów obiektów budowlanych, zwłaszcza obiektów wielkopowierzchniowych.

Monitorowanie konstrukcji obiektów budowlanych, w szczególności elementów konstrukcji dachów, służy poprawie bezpieczeństwa użytkowania tych obiektów. Podstawowa grupa metod, wykorzystywanych w tym celu, obejmuje metody monitorowania zmian położenia elementów konstrukcyjnych obiektów budowlanych wykorzystujące urządzenia optyczne.

W polskim opisie zgłoszeniowym P.381578 przedstawiono sposób detekcji osiągnięcia zadanego stopnia wykorzystania nośności polegający na kierowaniu promienia świetlnego poniżej belek k onstrukcji dachowej. Ugięcie się co najmniej jednej belki ponad dopuszczalną założoną wartość powoduje, że przerywa się przebieg wiązki światła i włącza się alarm dźwiękowy i wizualny.

W opisie patentowym PL183116 ujawniono sposób pomiaru skręcania i ugięcia belki w układach statycznych i dynamicznych, polegający na tym, że mocuje się co najmniej jedno lusterko na badanym elemencie, na które kieruje się strumień światła laserowego, który po odbiciu odczytuje się na ekranie.

Zgłaszający niniejsze rozwiązanie opracowali, ujawniony w patencie US 8788240 B2, sposób monitorowania składowej pionowej przemieszczenia i składowej pionowej ugięcia elementów konstrukcji obiektów budowlanych wykorzystujący pomiary wykonywane dalmierzami laserowymi. Przeprowadzane w tym sposobie pomiary odległości są wykonywane w odniesieniu do elementów stałych, takich jak posadzka.

W opisie patentowym FI118701B ujawniono sposób monitorowania obciążenia konstrukcji dachu z zastosowaniem inklinometrów, tj. przyrządów mierzących kąt nachylenia osi pomiarowej inklinometru do płaszczyzny prostopadłej do kierunku wektora siły grawitacji, przy czym są one umieszczane na elementach konstrukcyjnych budynków w swobodny sposób, np. po jednej stronie konstrukcji dachu czy budynku. Wadą takiego systemu jest możliwość wystąpienia dużych błędów pomiaru stopnia wykorzystania nośności konstrukcji w przypadku niesymetrycznego obciążenia dachu.

Zgłaszający niniejsze rozwiązanie opracowali sposób monitorowania obciążenia zmiennego konstrukcji dachu z wykorzystaniem inklinometrów, który został ujawniony w patencie PL230522. W patencie tym wykorzystuje się pomiary kątów obrotu przekrojów poprzecznych, wywołanego przez obciążenie zmienne, za pomocą dwóch inklinometrów mocowanych na monitorowanym elemencie konstrukcyjnym w dwóch punktach, symetrycznie względem jego poprzecznej osi symetrii. Następnie, jako miarę stopnia wykorzystania jego nośności, wykorzystuje się sumę wartości absolutnych tych kątów. Suma ta dobrze oddaje stopień wykorzystania nośności w przypadku niektórych ustrojów konstrukcyjnych, np. w przypadku jednonawowej konstrukcji ramowej, w sytuacji gdy maksymalna wartość stopnia wykorzystania nośności występuje w narożu ramy, gdzie na ogół występuje maksymalna wartość momentu zginającego. W innych przypadkach błąd określenia stopnia wykorzystania nośności za pomocą rzeczonej sumy może być nieakceptowanie duży.

Znane sposoby monitorowania ugięcia elementów konstrukcji za pomocą dalmierzy laserowych mają ograniczenia stosowalności w przypadkach, gdy temperatura otoczenia jest zbyt niska lub zbyt wysoka, gdy podłoże jest nierówne i zabrudzone lub gdy występuje wysokie zapylenie, co ma miejsce np. w przemyśle drzewnym.

Znane sposoby monitorowania obciążenia zmiennego konstrukcji dachu z wykorzystaniem inklinometrów charakteryzują się dużymi błędami pomiaru dla nierównomiernie rozłożonego obciążenia.

Celem wynalazku jest sposób pomiaru stopnia wykorzystania nośności ustroju konstrukcyjnego budynku, wykorzystywany do wiarygodnego określania stopnia zagrożenia bezpieczeństwa użytkowania obiektu wywołanego przejściowymi czynnikami zewnętrznymi, np. atmosferycznymi. Sposób ten powinien być niewrażliwy na niesymetrię obciążenia ustroju konstrukcyjnego oraz trudne warunki środowiskowe, takie jak bardzo niskie temperatury (mniejsze niż - 20°C), szronienie, bardzo wysokie temperatury (większe niż 50°C), dużą wilgotność, duże zapylenie, zanieczyszczenie podłoża (np. w nieobudowanych wiatach - śnieg, błoto), itp.

Przedmiotem wynalazku jest sposób pomiaru stopnia wykorzystania nośności ustroju konstrukcyjnego, poddawanego oddziaływaniom zmiennym, obejmujący pomiary kątów obrotu przekrojów poprzecznych tego ustroju konstrukcyjnego, przy czym obrót spowodowany jest tymi oddziaływaniami zmiennymi, charakteryzujący się tym, że wykonuje się pomiary kątów α1 i a2 obrotu przekrojów poprzecznych ustroju konstrukcyjnego wokół osi Z prostopadłej do przekroju podłużnego tego ustroju konstrukcyjnego, w dwóch punktach A i B tego ustroju, położonych symetrycznie względem jego poprzecznej osi symetrii, a następnie jako miarę stopnia wykorzystania nośności rzeczonego ustroju wykorzystuje się większą ze zmierzonych wartości kątów α1 i α2.

Korzystne jest także, jeżeli w punktach α1 i α2 ustroju konstrukcyjnego mierzy się również wartości kątów γ1 i γ2 obrotu przekrojów poprzecznych ustroju konstrukcyjnego wokół osi prostopadłych do tych przekrojów, a następnie wykorzystuje się wartości kątów γ1 i γ2 jako wskaźnik utraty stateczności danego ustroju konstrukcyjnego.

Korzystne jest również, jeżeli pomiary kątów wykonuje się okresowo i/lub synchronicznie.

Pomiar kątów obrotu wykonuje się za pomocą inklinometrów lub innych znanych urządzeń czy metod, takich jak metody geodezyjne.

Wykorzystanie nośności ustroju konstrukcyjnego poddawanego oddziaływaniu zmiennemu, określone na podstawie zmierzonych wartości kątów α1 i a2 obrotu przekrojów poprzecznych wokół osi Z, lub utrata przez niego stateczności, stwierdzona na podstawie zmierzonych wartości kątów γ1 i γ2 obrotu jego przekrojów poprzecznych wokół osi prostopadłych do tych przekrojów, oznacza przekroczenie stanów granicznych nośności, czyli osiągnięcie przez konstrukcję stanu zagrażającego bezpieczeństwu budowli i jej użytkowników. Stateczność konstrukcji rozumiana jest tu jako zdolność konstrukcji do zachowania nie zmienionego położenia i kształtu przy działaniu obciążenia.

Powszechnie przyjmuje się, że dobrą miarą stopnia wykorzystania nośności elementu konstrukcyjnego jest ugięcie tego elementu, korzystnie mierzone w środku jego rozpiętości. W przypadku, gdy obciążenie jest rozłożone równomiernie na całej rozpiętości elementu, ugięcie mierzone w środku rozpiętości elementu jest dobrą miarą stopnia wykorzystania nośności. W przypadku obciążenia niesymetrycznego, ugięcie mierzone w środku rozpiętości może znacznie gorzej odwzorowywać stopień wykorzystania nośności tego elementu. Podobne czy dużo większe błędy określenia stopnia wykorzystania nośności elementu można otrzymać stosując pojedynczy pomiar kąta obrotu przekroju poprzecznego w jednym z końców tego elementu.

Proponowana metoda jest wolna od powyższych wad i zarówno w przypadku obciążeń symetrycznych jak i niesymetrycznych z wystarczającą dokładnością odzwierciedla stopień wykorzystania nośności ustroju konstrukcyjnego.

Sposób według wynalazku jest przedstawiony w przykładzie wykonania na Fig. 1, gdzie pokazany jest schemat obciążenia jednonawowego, ramowego ustroju konstrukcyjnego oraz schemat pomiarowy kątów obrotu, przy czym lncl_1 oraz lncl_2 to inklinometry mierzące kąty α1 i α2 obrotu, spowodowanego oddziaływaniami zmiennymi i pokazanego strzałkami 7 i 8, przekrojów poprzecznych ramy wokół osi Z prostopadłej do jej przekroju podłużnego, w dwóch punktach A i B ramy, położonych symetrycznie względem jej poprzecznej osi symetrii 6. W korzystnym wykonaniu inklinometry lncl_1 oraz lncl_2 mierzą również wartości kątów γ1 i γ2 obrotu przekrojów poprzecznych ramy wokół osi prostopadłych do tych przekrojów.

Na Fig. 1 pokazano schematycznie przykładowy ustrój konstrukcyjny w formie jednonawowej ramy. Dla osoby o odpowiednich kwalifikacjach będzie oczywiste, że możliwe jest użycie sposobu według wynalazku do pomiaru stopnia wykorzystania nośności ustrojów innych typów, np. belki, kratownicy, łuku lub części łuku osadzonego na pionowych filarach lub opartego bezpośrednio na fundamentach.

Na Fig. 1 pokazano przykładowe, symetryczne zamocowanie na ramowym ustroju konstrukcyjnym dwóch inklinometrów lncl_1 i lncl_2 w jednakowej odległości d od poprzecznej osi symetrii 6 tego ustroju. W górnej części rysunku pokazano strzałkami obciążenie zmienne q(x) dachu, np. śniegiem, występujące na części rozpiętości o długości L1. Strzałkami 7 i 8, zwróconymi w dół, pokazano kierunki obrotu przekrojów poprzecznych ustroju pod wpływem obciążenia zmiennego w rejonie umocowania inklinometrów lncl_1 i lncl_2. Obroty we wskazanych dwóch punktach A i B mają przeciwne kierunki. Zakłada się, że wartości kątów obrotu zgodnego ze strzałkami 7 i 8 mają wartości większe od zera.

Punkty umocowania inklinometrów lncl_1 i lncl_2 zależą od rodzaju konstrukcji, rodzaju ustroju i jego rozpiętości, oznaczonej na Fig. 1 literą L (rozstaw słupów). Korzystne jest, aby inklinometry były mocowane w punktach, w których wartości bezwzględne kątów α1 i α2 obrotu przekrojów poprzecznych, wywołanego przez obciążenie zmienne, są możliwie duże, korzystnie bliskie maksymalnym.

PL 243816 Β1

W Tabeli 1 zestawione są wyniki obliczeń symulacyjnych dla przedstawionego na Fig. 1 ramowego układu konstrukcyjnego o przykładowo zdefiniowanych parametrach, dla obciążenia q(x) zmieniającego się od rozłożonego równomiernie na całej szerokości dachu (L1 = L, przypadek 1 w Tabeli 1) do zlokalizowanego na 1/5 rozpiętości (L1 = 0,2L, przypadek 9 w Tabeli 1).

Tabela 1: Zestawienie wartości ugięcia u w środku rozpiętości, katów obrotu a1, a2, maksymalnego naprężenia amax występującego w elemencie, większego z katów obrotu ama* oraz błędów pomiaru stopnia wykorzystania nośności dla: ugięcia - 31, mniejszego z katów obrotu - 32, większego z katów obrotu - 33, oraz wartości średniej katów obrotu - 34, dla ramy pokazanej na Fig. 1 (dla L = 29,5 m oraz d = 11,25 m), dla różnych schematów obciążenia - od równomiernie rozłożonego na całej szerokości dachu (L1 = L) do zlokalizowanego tylko na 1/5 rozpiętości (L1 = 0,2L).

Lp	L1/L	u [mm]	a1 n	a2 Π	[MPa]	Π	n	ar [%]	62’* [%]	53’** [%]	54**** [%]
a	b	c	d	e	f	g	h	i	j	k	I
1	1,o	60,0 = Uo	0,277 = a1o	0,277	113,33 ^— ^max0	0,277	0.227 ^— ClśrO	0	0	0	0
2	0,9	59,4	0,262	0,282	110,40	0,282	0,272	2	-3	4	1
3	0,8	56,8	0,213	0,293	113,82	0,293	0,253	-6	-31	5	-10
4	0,7	50,9	0,145	0,297	112,90	0,297	0,221	-17	-90	7	-25
5	0,6	41,6	0,078	0,285	101,51	0,285	0,182	-29	-218	13	-37
6	0,5	30,0	0,025	0,252	82,95	0,252	0,139	-46	-711	20	-46
7	0,4	18,4	-0.008	0,199	66,82	0,199	0,096	-92	2142	18	-71
8	0,3	9,1	-0,020	0,132	47,23	0,132	0,056	-175	677	13	-106
9	0,2	3,2	-0,016	0,064	26,13	0,064	0,024	-332	499	0	-166
* 61 = [(u/uo - o_mi>/o_mll[o)/(u/uo)]100% ~ δ2 = [(α1/α1₀ - W “ 63 = [(α^α^Λ - 0^0^(0^0^)7100% -- 64 = [«Waw - 0^^(0^)7100%

Wielkością referencyjną określającą stopień wykorzystania nośności przedstawionej ramy, jest maksymalna wartość naprężenia a_max (kolumna f w Tabeli 1) w ramie (w dowolnym miejscu).

Analiza wyników obliczeń przedstawionych w Tabeli 1 pokazuje, że wartości ugięcia u w środku rozpiętości (kolumna c w Tabeli 1 ) oraz mniejszego z dwóch mierzonych kątów obrotu, w tym przypadku a1 (kolumna d w Tabeli 1 ), zachowują się zupełnie inaczej w funkcji zmiany rozkładu obciążenia (przypadki 2-9 w Tabeli 1) niż maksymalne naprężenie a_max (kolumna f w Tabeli 1) występujące w ramie. Wykorzystanie tych wielkości (u oraz a1) jako miary stopnia wykorzystania nośności ustroju mogłoby skutkować, dla nierównomiernego obciążenia, bardzo dużymi błędami (kolumna i w Tabeli 1 dla ugięcia u, oraz kolumna j w Tabeli 1 dla kąta a1). Sposób pomiaru stopnia wykorzystania nośności, bazujący na pomiarze dowolnego z dwóch możliwych kątów obrotu, a więc również a1, stosowany jest - bez żadnych zastrzeżeń - do monitorowania konstrukcji budowlanej według stanu techniki, tj. opisu FI118701B.

Inny sposób, ujawniony w PL230522, bazuje na pomiarze wartości średniej kątów obrotu aśr (kolumna h w Tabeli 1). Wykorzystanie tej wielkości jako miary stopnia wykorzystania nośności skutkuje błędami (kolumna I w Tabeli 1) dochodzącymi nawet do -166% dla silnie nierównomiernego obciążenia. Wartość błędu mniejsza od zera oznacza dodatkowo, że faktyczny stopień wykorzystania nośności będzie większy od zmierzonego (określonego na podstawie zmierzonej wartości kąta aśr)·

Zupełnie odmiennie ma się rzecz w przypadku wykorzystania większego z kątów obrotu a_max (kolumna g w Tabeli 1), w tym przypadku a_max = a2, dwóch przekrojów poprzecznych jako wielkości odwzorowującej stopień wykorzystania nośności ramy. Stosunek wartości większego z kątów obrotu a1 i a2 przekrojów poprzecznych a_max (kolumna g w Tabeli 1) do wartości maksymalnego naprężenia σmax (kolumna f w Tabeli 1) jest stały, z błędem wynoszącym, dla przedstawionej ramy, nie więcej niż 20% (kolumna k w Tabeli 1), dla zmian nierównomierności obciążenia w zakresie szerszym niż spotykany w praktyce - od obciążenia równomiernie rozłożonego na całej szerokości dachu do zlokalizowanego tylko na 1/5 rozpiętości. Taka wartość błędu jest do zaakceptowania w rozpatrywanym zastosowaniu, szczególnie że jest ona zawsze większa od zera, co oznacza, że faktyczny stopień wykorzystania nośności będzie mniejszy od zmierzonego (określonego na podstawie zmierzonej wartości kąta amax). Sytuacja taka jest bezpieczna, nie grozi przeciążeniem konstrukcji poprzez nadmierne wykorzystanie jej nośności.

W przypadku wykorzystania ugięcia u, mierzonego w środku rozpiętości ramy (kolumna c w Tabeli 1), do określania stopnia wykorzystania jej nośności, błąd takiego określenia (kolumna h w Tabeli 1) osiąga wartość ok. -50% dla obciążenia zlokalizowanego tylko na jednej połaci (L1 = 0,5 L) i nawet rzędu -330% dla obciążenia zlokalizowanego na 1/5 rozpiętości. Dodatkowo, błąd ten ma wartość mniejszą od zera, co oznacza, że faktyczny stopień wykorzystania nośności byłby w tym przypadku większy od zmierzonego. Sytuacja taka byłaby więc niebezpieczna i mogłaby grozić przeciążeniem konstrukcji.

Pomiar stopnia wykorzystania nośności ustroju konstrukcyjnego (bazujący na pomiarach kątów obrotu α1 i α2) jest możliwy, gdy ustrój konstrukcyjny jest stateczny. Utrata stateczności oznacza osiągnięcie stanu granicznego nośności niezależnie od zmierzonej wartości stopnia wykorzystania nośności. Utrata stateczności ustroju konstrukcyjnego może być wykrywana przy pomocy mierzonych opcjonalnie kątów obrotu γ1 i γ2, gdzie znacząca zmiana jednego lub obu kątów obrotu może oznaczać właśnie utratę stateczności.

Zatem, w układach konstrukcyjnych typu jednonawowa rama, wartość większego z kątów obrotu przekrojów poprzecznych wokół osi Z prostopadłej do jej przekroju podłużnego, mierzonych w dwóch punktach układu konstrukcyjnego, symetrycznie usytuowanych względem poprzecznej osi symetrii ustroju konstrukcyjnego, wywołanego obciążeniem zmiennym, wystarczająco dokładnie dla praktyki odwzorowuje stopień wykorzystania nośności konstrukcji w realnym z praktycznego punktu widzenia zakresie zmian obciążeń. Podobne wartości błędów otrzymuje się również jako wynik obliczeń dla innych typów układów poprzecznych, np. belek czy kratownic. Dodatkowo wartości kątów obrotu przekrojów, poprzecznych wokół osi prostopadłych do tych przekrojów mogą służyć detekcji utraty stateczności tego układu.

Claims

1. Sposób pomiaru stopnia wykorzystania nośności ustroju konstrukcyjnego, poddawanego oddziaływaniom zmiennym, obejmujący pomiary kątów obrotu, przekrojów poprzecznych tego ustroju konstrukcyjnego, przy czym obrót spowodowany jest tymi oddziaływaniami zmiennymi, znamienny tym, że wykonuje się pomiary kątów α1 i α2 obrotu przekrojów poprzecznych ustroju konstrukcyjnego wokół osi (Z) prostopadłej do przekroju podłużnego tego ustroju konstrukcyjnego, w dwóch punktach (A) i (B) tego ustroju, konstrukcyjnego, położonych symetrycznie względem jego poprzecznej osi symetrii, a następnie jako miarę stopnia wykorzystania nośności ustroju konstrukcyjnego wykorzystuje się większą ze zmierzonych wartości kątów α1 i α2.

2. Sposób według zastrz. 1, znamienny tym, że w punktach (A) i (B) ustroju konstrukcyjnego mierzy się także kąty γ1 i γ2 obrotu jego przekrojów poprzecznych wokół osi prostopadłych do tych przekrojów, a następnie wykorzystuje się wartości kątów γ1 i γ2 jako wskaźnik utraty stateczności danego ustroju konstrukcyjnego.

3. Sposób według zastrz. 1 albo 2, znamienny tym, że pomiary kątów obrotu wykonuje się okresowo.

4. Sposób według zastrz. 1 albo 2 albo 3, znamienny tym, że pomiary kątów obrotu wykonuje się synchronicznie.