Testování senzorů mechanického namáhání integrovaných ve struktuře nosníku z lepeného lamelového dřeva

1. Úvod

Zatímco podíl dřevostaveb z celkového počtu dokončených rodinných domů v České republice začíná teprve v posledních letech výrazněji meziročně narůstat a v roce 2016 dosahoval přibližně čtrnácti procent [1], pro výstavbu sportovních hal a dalších významných staveb s požadavkem na estetickou stránku nosné konstrukce se dřevo s oblibou využívá již mnoho desetiletí. Zvláště u konstrukcí větších rozpětí je vhodné provádět pravidelné odborné prohlídky a kontroly technického stavu, které mohou pomoci včas odhalit začínající poškození a tím předejít mnohem větším škodám, třeba vlivem zatékání dešťové vody do konstrukce a tím zvyšování vlhkosti dřevěných prvků. V případě nadměrného namáhání některých nosných prvků však ani průběžná vizuální kontrola nemusí odhalit hrozící poruchu. Tato situace může nastat například v případě konstrukcí plochých střech, u kterých může dojít k zanesení dešťových odtoků a hromadění vody nebo náhlému přetížení některého z nosných prvků vlivem velké vrstvy napadaného čerstvého sněhu. Nejedná se pouze o přírodní vlivy, které mohou vést k poškození dřevěné konstrukce vedoucí až ke katastrofálním následkům, ale také například riziko delaminace lepených spár nebo o neodborně provedené zásahy jakými může být dodatečné zavěšení dalších stavebních prvků na již zhotovenou konstrukci. I tyto důvody otevírají otázku potřeby dlouhodobého monitorování a diagnostiky prvků, které jsou nejvíce namáhány. Monitorování je vhodné i u konstrukcí, které se blíží ke konci své životnosti. Na základě zatížení stanovených dle příslušných norem a materiálových charakteristik použitého řeziva je pro monitorované konstrukce možné analyticky stanovit limitní hodnoty poměrného přetvoření. Pokud měřící systém následně v průběhu monitorování konstrukce zaznamená překročení těchto hodnot, automaticky upozorní odpovědnou osobu, aby provedla kontrolu a případnou včasnou nápravu vzniklé situace.

V tomto článku se autoři zabývají systémem pro monitorování namáhání dřevěných konstrukcí, konkrétně integrací optovláknových senzorů do struktury nosníku z lepeného lamelového dřeva a následným měřením jejich poměrného prodloužení v závislosti na působícím mechanickém namáhání.

2. Experimentální analýza

Na základě poznatků získaných předchozím laboratorním testováním vzorků dřevěných nosníků s FBG senzory a délkou 1 000 mm [2] bylo v dubnu 2016 přistoupeno k výrobě zkušebního tělesa s rozměry odpovídajícími stavebnímu prvku zabudovanému v reálné konstrukci. Nosník o rozměrech 140 × 315 × 6110 mm je složen z 8 dřevěných lamel, mezi něž jsou vložena 3 optická vlákna s FBG senzory. První optické vlákno je umístěno mezi 2 horní lamely, druhé je umístěno mezi lamely v polovině výšky průřezu a třetí je umístěno mezi 2 spodní lamely. Každé z optických vláken obsahuje 3 FBG senzory, které pracují na různých vlnových délkách okolo 1550 nm. FBG senzory pracují na principu citlivosti periody mřížky senzoru a indexu lomu na změnu poměrného přetvoření a teploty v nosníku. Při mechanickém namáhání nosníku dochází k deformaci mřížky, vyvolávající změnu její periody a následný posun Braggovy vlnové délky. Z posunu vlnové délky senzoru je pomocí spektrálního analyzátoru a počítače stanovena hodnota poměrného přetvoření. Optická vlákna jsou vložena do drážek hloubky 1 mm a šířky 2 mm, vytvořených v podélné ose nosníku. V místech vyústění vláken na boční povrch nosníku jsou v příslušných dřevěných lamelách vytvořeny výřezy o šířce 40 a hloubce 45 mm, do nichž jsou vyvedeny drážky s vloženými optickými vlákny. Pro zvýšení ochrany jsou vlákna v místě jejich vyústění do připravených výřezů opatřena bužírkami, chránicími je proti zlomení. Ve výřezech lamel jsou umístěny plastové krabičky, do nichž jsou smotány konce vláken s FC/APC konektory, vystupující z nosníku, viz obr. 1 vlevo. Krabičky s konektory je možno opatřit plastovým víčkem s integrovaným výstupem, umožňujícím připojení nosníku pomocí optického vlákna k měřicí jednotce. Připojení optického vlákna uvnitř nosníku přes kabelové vedení k měřící jednotce je zobrazeno na obr. 1 vpravo.

Obr. 1: Uložení vláknového konektoru v plastové krabičce ve výřezu lamely (vlevo), napojení optického vlákna k měřící jednotce (vpravo)

V případě požadavku na monitorování stávající či dokonce historické dřevěné konstrukce, kde není možné využít princip vlepení senzoru mezi lamely už při výrobě nosných prvků, je možné optovláknový senzor osadit přes plastový nosič na vnější povrch zkoumaného prvku [3].

Dřevěný nosník s osazenými snímači byl pro ověření funkčnosti použitého systému v červnu 2016 podroben čtyřbodové ohybové zkoušce. Nosník byl nejprve zatížen do 40 % maximální odhadované únosnosti kvůli stanovení modulu pružnosti dle požadavků normy ČSN EN 408+A1 [4] a následně byl cyklicky zatěžován do 50 % maximální odhadované únosnosti. Z důvodu potřeby následného testování dalších funkcí systému nebyl zatím nosník zatěžován do porušení. Funkce optických snímačů byla při zkoušce ověřena extenzometry, osazenými z boční strany nosníků a také pomocí analytického výpočtu. Uspořádání ohybové zkoušky s osazením extenzometrů na nosníku je zobrazeno na obr. 2.

Obr. 2: Uspořádání 4bodové ohybové zkoušky (vlevo), osazení extenzometrických snímačů (vpravo)

Pro ověření dlouhodobé funkčnosti použitých snímačů a proměnnosti výsledků měřených dat v čase byla v březnu roku 2017 mechanická zatěžovací zkouška nosníku opakována. Pro zatěžování byl využit totožný zatěžovací postup, jako v prvním případě.

3. Vyhodnocení získaných dat

Obr. 3: Porovnání dat naměřených FBG senzorem a extenzometrem s daty stanovenými analytickým výpočtem pro zatěžovací zkoušky realizované v roce 2016 a 2017

Pro dále popsané porovnání měřených dat byl zvolen FBG senzor integrovaný v krajní lepené spáře tažené oblasti průřezu uprostřed rozpětí nosníku. Změřený průběh mechanického namáhání byl porovnán s extenzometrickým snímačem umístěným na boční straně nosníku a s analytickým výpočtem. Pro stanovení poměrného přetvoření v průřezu zkoumaného zkušebního tělesa analytickou metodou byla využita teorie lineárně pružného materiálu a závislost normálového napětí na poměrném přetvoření a Youngovu modulu pružnosti, stanoveném na základě vyhodnocení přírůstků deformace v závislosti na působící síle. Vyhodnocení získaných dat pro obě provedené zkoušky je zobrazeno v grafu na obr. 3.

Opakované měření potvrdilo, že průběhy zatěžování zaznamenávané FBG senzory odpovídají referenční měřící metodě a v uložení senzorů nedochází k nežádoucímu prokluzu či degradaci vlákna vlivem lepící hmoty. Z naměřených dat byla stanovena relativní a absolutní chyba měřených hodnot FBG senzory vůči extenzometrům. Relativní a absolutní chyby měření jsou znázorněny na obr. 4.

Obr. 4: Relativní a absolutní chyba měření FBG senzory vůči extenzometrickým snímačům

Z grafu je patrné, že relativní chyba měřených hodnot FBG senzory vůči extenzometrům je vyjma špiček při hodnotách blízkých nulovému zatížení nižší než 14 %. Absolutní chyba měření se pohybuje v rozmezí 100–200 μm/m.

4. Závěr

Z provedených zatěžovacích zkoušek lze konstatovat, že metoda měření poměrných přetvoření optovláknovými FBG senzory integrovanými do struktury nosného prvku je použitelná i pro monitorování dřevěných konstrukcí. Zapouzdření vlákna v místě svaru, které bylo provedeno při výrobě nosníku, přispělo výrazně k zvýšení odolnosti vlákna proti mechanickému poškození při výrobě a následné dopravě zkušebního tělesa do testovací laboratoře.

Poděkování

Tento příspěvek vznikl za finanční podpory MŠMT v rámci programu NPU I č. LO1605 – Univerzitní centrum energeticky efektivních budov – Fáze udržitelnosti.

Literatura

1. https://stavba.tzb-info.cz/drevostavby/15331-asociace-pocet-drevostaveb-v-cr-loni-mezirocne-vzrostl-o-10-pct
2. Velebil, L.; Zelený, R.; Včelák, J.; Kuklík, P.: Integrace senzorů mechanického namáhání do struktury lepeného lamelového dřeva. In: Dřevostavby 2016, 2016, VOŠ Volyně, Volyně, pp. 141–144, ISBN 978-80-86837-84-0
3. Zelený, R.; Včelák, J.: Strain Measuring 3D Printed Structure with Embedded Fibre Bragg Grating. In: Proceedings of the 30^th anniversary Eurosensors Conference – Eurosensors 2016. Oxford: Elsevier Ltd, 2016. pp. 1338–1341. ISSN 1877-7058.
4. ČSN EN 408+A1: (73 1741) Dřevěné konstrukce – Konstrukční dřevo a lepené lamelové dřevo – stanovení některých fyzikálních a mechanických vlastností, ČNI, Praha, 2012