Instalacja zespołu tensometrów w rejonie spękań konstrukcji murowej i monitoring rozwartości szczelin

(1)

Instalacja zespołu tensometrów w rejonie spękań konstrukcji murowej i monitoring rozwartości szczelin

Elżbieta Włosińska

Instytut Mechaniki Górotworu PAN, ul. Reymonta 27, 30-059 Kraków

Streszczenie

W pracy zostały przedstawione wyniki pomiarów rozwartości pęknięć znajdujących się na konstrukcji budowlanej. W roku bieżącym sukcesywnie realizowane są udoskonalone ekstensometry z elementem sprężystym w postaci drutu uformowanego faliście. Zestaw 4 ekstensometrów tego typu został zainstalowany w rejonie spękań ściany znajdującej się na konstrukcji budynku. Ekstensometry, oraz uzupełniający je termometr strunowy zostały podłą- czone do automatycznego rejestratora, który okresowo wykonuje pomiary przemieszczeń względnych fragmentów ściany i temperatury otoczenia i zapisuje wyniki tych pomiarów w pamięci. Przetwornik ten posiada zakres 2,5 mm, przy niepewności pomiarowej ± 0,025%. Celem instalacji przyrządu jest monitorowanie rozwartości powstałego pęknięcia wskutek osiadania budynku. Kilkumiesięczna praca wspomnianej aparatury wykazuje niewielkie zmiany rozwartości szczelin ściany.

Słowa kluczowe: ekstensometr, tensometr strunowy, dylatometr

1. Wstęp

Konstrukcje betonowe i murowe mogą wykazywać różne uszkodzenia. W przypadku konstrukcji murowej można klasyfikować rodzaj uszkodzeń ze względu na rodzaj zniszczeń (zarysowania, spękania, działanie temperatury, wilgotności, oraz zużycie naturalne materiału), oraz z uwagi na przyczynę powstawania uszkodzeń (np. przeciążenie konstrukcji, zmiana stateczności konstrukcji). Przyczyną powstawania uszko- dzeń konstrukcji murowej najczęściej jest ruch podłoża, przeciążenie konstrukcji bądź wpływy dynamiczne.

Zbyt małe rozpoznanie gruntu może przyczynić się do osiadania budynku, a co za tym idzie na konstrukcji zaczynają pojawiać się zarysowania i pęknięcia. W przypadku konstrukcji betonowej podstawowymi ro- dzajami uszkodzeń są spękania i ubytki [2]. Spękania mogą być zarówno powierzchowne, jak i głębokie.

Za przyczynę powstawania uszkodzeń konstrukcji betonowej uważa się błędy projektowe i wykonawcze, oraz gdy zostanie przekroczona wartość naprężenia granicznego.

Najczęstszym rodzajem uszkodzeń w konstrukcji betonowej, jak i murowej jest utrata ciągłości konstrukcji w postaci zarysowań, spękań, szczelin. W przypadku wystąpienia zarysowań, czy pęknięć ważne jest monitorowanie zmian ich rozwartości. W zależności od spodziewanej rozwartości pęknięcia można zastosować różnego rodzaju tensometry. Tensometry strunowe najlepiej nadają się do badania od- kształceń konstrukcji. Nadają się one do pomiaru rozwartości pęknięcia do 0,5 mm. Następnie jego zakres się kończy i potrzebujemy przyrządu, który będzie miał większy zakres pomiarowy. W tym przypadku najlepiej nadaje się autorski przyrząd pomiarowy z zakresem do 2,5 mm. Istnieją tensometry, których zakres sięga do kilkunastu, a nawet kilkudziesięciu mm. Przykładowo tensometr firmy Geokon typ 4420 [9] posiada zakres 12,5 mm. W przypadku badania rozwartości szczeliny, której rozwartość nie będzie większa niż 2,5 mm, to tensometr ten nie będzie pracował w pełni swojego zakresu, a co za tym idzie nie będzie tak dokładny. Dlatego też ważne jest dopasowanie przyrządu do uszkodzenia. Dla średnich szczelin autorski przyrząd pomiarowy będzie miał sensowne zastosowanie, gdzie swój zakres pomiarowy będzie wykorzystany w pełni.

(2)

Powstające deformacje na badanym obiekcie spowodowane są osiadaniem budynku, który został wybu- dowany na podmokłych terenach [7]. Na skutek osiadania się budowli następuje utrata ciągłości konstrukcji w postaci pęknięć rys i szczelin. Najbardziej widoczne zmiany rozwartości pęknięć na konstrukcji murowej znajdują się na jednej ze ścian budynku. Jednak przed zamontowaniem przyrządów pomiarowych należało wykonać odkrywki na ścianie obiektu. Powodem wykonania odkrywek był fakt, że powstające pęknięcia tuszowane były licznymi remontami, jednak na murze pęknięcia i szczeliny nadal pozostają.

2. Monitorowanie odkształceń konstrukcji

W celu monitorowania powstałych pęknięć na konstrukcji budowlanej zainstalowano 4 autorskie przyrządy pomiarowe, gdzie 2 ekstensometry zamontowane są pionowo, a dwa poziomo. Ekstensometr wykorzystany w badaniu rozwartości szczelin jest udoskonalonym przetwornikiem z elementem spręży- stym w postaci drutu falistego. Służy on do pomiarów przemieszczeń względnych. Może być wykorzystany do pomiaru w obrębie szczelin dylatacyjnych lub szczelin spowodowanych utratą ciągłości konstrukcji (pęknięcia, zarysowania).

Udoskonalona wersja ekstensometru zakłada zastąpienie drutu falistego [10] sprężystym drutem spiralnym o dużym skoku. Zarówno w przypadku wcześniejszej wersji, jak i obecnej zależało na zwięk- szeniu zakresu pomiarowego przyrządu przy jednoczesnym zachowaniu prostoty budowy przetwornika.

W strunowych tensometrach, struna zamocowana jest bezpośrednio do zakotwień lub za pośrednictwem dodatkowych elementów (np. przekładnia mechaniczna, sprężyna) [3-5].

Najprostszą konstrukcją dla przetworników przemieszczeń względnych jest zamocowanie czujnikowego elementu sprężystego bezpośrednio do zakotwień. Taką też konstrukcję posiadają wykorzystane do pomiarów ekstensometry.

Dzięki wykorzystaniu sprężystego drutu spiralnego jako czujnikowego elementu sprężystego otrzyma- no przyrząd pomiarowy o zakresie 2,5 mm. Jest to kilkukrotnie większy zakres od tensometru strunowego o prostej budowie, gdzie struna zamocowana jest bezpośrednio do zakotwień. Baza pomiarowa przyrządu wynosi 250 mm.

Wynikiem osiadania konstrukcji budowlanej jest pojawienie się pęknięć i szczelin na ścianach budynku. Na poniższych zdjęciach (Rys. 1-4) widać pęknięcia skośne znajdujące się na ścianie wybranej do monitorowania rozwartości.

Dla udoskonalonego ekstensometru zostały przeprowadzone liczne eksperymenty. Na rysunkach 5-8 zaprezentowano wykresy przedstawiające zależność kwadratu częstotliwości od przemieszczenia jednego z zakotwień przyrządu względem drugiego dla czterech ekstensometrów. Dopasowanie do charakterysty- ki liniowej ma zależność częstotliwości w pierwszej potędze, a nie jej kwadratu od przemieszczenia jak w przypadku przetwornika strunowego [6]. Zależność tą zaprezentowano na rysunkach 5-8. Nic nie stoi na przeszkodzie aby zależność częstotliwości od przemieszczenia uznać za obowiązującą dla tego typu przyrządu.

Stwierdzono doświadczalnie, że drut skręcony w spiralę o dużym skoku (skok nawinięcia jest większy niż średnica nawinięcia) jest elementem nieliniowo sprężystym. Za jego odkształcalność odpowiada reakcja elementu na naprężenia rozciągające, ścinające i skręcające.

Rys. 1. Pęknięcia na konstrukcji Rys. 2. Pęknięcie na konstrukcji

(3)

Rys. 3. Pęknięcie na konstrukcji Rys. 4. Pęknięcie na konstrukcji

y = 21,684x + 172,58

170 175 180 185 190 195 200 205 210 215

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

Przemieszczenie [mm]

Częstotliwość [Hz]

Rys. 5. Wykres zależności częstotliwości [Hz] od przemieszczenia d [mm] dla ekstensometru nr 001

y = 22,206x + 170,4

165 170 175 180 185 190 195 200 205 210

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

Częstotliwość [Hz]

Rys. 6. Wykres zależności częstotliwości [Hz] od przemieszczenia d [mm] dla ekstensometru 002

Na podstawie wzorcowania każdego ekstensometru wykorzystanego do monitorowania powstałych pęknięć zostały określone poszczególne parametry, jak np. stała k potrzebna do wyznaczenia wartości prze- mieszczenia względnego.

Nie znane są przesłanki aby drut spiralny nie spełniał poniższego wzoru teoretycznego wyprowadza- nego dla struny. Z tego względu charakterystyka częstotliwość-odkształcenie jest znacznie bardziej zbliżona do liniowej niż charakterystyka kwadrat częstotliwości-odkształcenie.

(4)

Odkształcenie zależne jest od wielu parametrów. Należą do nich m.in.: temperatura, ciśnienie, wil- gotność, naprężenie.

Zależność odkształcenia struny od jej naprężenia opisuje wzór [1]:

1 2 f E

l



  (1)

gdzie:

f – częstotliwość [Hz],

l – długość czynna struny (poza jej zamocowaniami) [m], E – moduł Younga [Pa],

ε – odkształcenie [m/m],

γ – gęstość materiału struny [kg/m³].

Zakładając, że zmiany odkształcenia są niewielkie w stosunku do jej długości (dwa rzędy wielkości i mniej) przemieszczenie d jednego końca struny względem drugiego opisuje zależność [8]:

d = ε * l (2)

y = 22,501x + 170,53

165 170 175 180 185 190 195 200 205 210

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2

Częstotliwość [Hz]

y = 20,651x + 180,28

175 180 185 190 195 200 205 210 215 220

0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2

Częstotliwość [Hz]

(5)

Przez pomiar częstotliwości drgań możliwe jest wyznaczenie przemieszczenia d jednego końca struny względem drugiego:

3 2

d 4l f E

  (3)

Biorąc pod uwagę, że takie parametry struny jak jej długość, gęstość i moduł sprężystości są prak- tycznie stałe, wzór powyższy można zredukować do następującego:

d = k · f² (4)

w którym stała k charakteryzuje konkretną strunę pomiarową.

Baza tensometru, a więc odległość między jego zakotwieniami nie jest zwykle równa długości czynnej struny, ze względu na jej zamocowania i inne szczegóły konstrukcyjne konkretnego tensometru strunowego.

Stąd tensometr charakteryzuje się inną stałą k₁, która jest wyznaczana na podstawie jego wzorcowania.

d = k₁ · f² (5)

Na poniższych wykresach ( Rys. 9-12) przedstawiono wyznaczenie stałej k.

Do pomiarów deformacje konstrukcji zostały wybrane szczeliny skośne. Charakteryzują się ona nie- jednorodną rozwartością. Poniżej przedstawione zostały zdjęcia (Rys. 13-14) szczelin z zamontowanymi

y = 0,046x - 7,9334

-0,5 0 0,5 1 1,5 2

170 175 180 185 190 195 200 205 210 215

Częstotliwość [Hz]

Przemieszczenie [mm]

Rys. 9. Wykres zależności przemieszczenia d [mm] od częstotliwości [Hz] dla ekstensometru 001

y = 0,0449x - 7,6433

-0,5 0 0,5 1 1,5 2

170 175 180 185 190 195 200 205 210 215

(6)

Rys. 13. Zamontowany ekstensometr 001 i 002

y = 0,0442x - 7,5337

-0,5 0 0,5 1 1,5 2

170 175 180 185 190 195 200 205 210 215

y = 0,0483x - 8,6995

-0,5 0 0,5 1 1,5 2

175 180 185 190 195 200 205 210 215 220

Przemieszczenie [mm]

(7)

ekstensometrami 001, 002, 005, 006. W celu wyznaczenia docelowego miejsca opomiarowania, wcześniej zostały wykonane odkrywki, by móc ocenić, czy powstałe pęknięcia istnieją na murze, czy tylko tynku. Po wykonaniu odkrywek zauważono, że pęknięcia znajdują się na murze.

3. Wyniki pomiarowe

Dzięki zainstalowanym ekstensometrom uzyskano wyniki, które świadczą o zmianie rozwartości badanych szczelin. Poniżej znajduje się wykres przedstawiający zmianę rozwartości szczelin w upływie czasu. Wykres obejmuje okres prawie 30 dni. Część wyników dla ekstensometru 001 i 002 nie zostały za- pisane na pamięci rejestratora.

-0,25 -0,2 -0,15 -0,1 -0,05 0 0,05 0,1

13-08 18-08 23-08 28-08 2-09 7-09 12-09 17-09 22-09 27-09 2-10

Data

Przemieszczenie [mm]

tenso 005 tesno 006 tenso 001 tenso 002

Rys. 15. Zmiana rozwartości szczelin uzyskane za pomocą ekstensometrów 001, 002, 005 i 006 Rys. 14. Zamontowany ekstensometr 005 i 006

(8)

Jak widać na powyższym wykresie, zmiana rozwartości dla 3 ekstensometrów (001, 002, 005) oscyluje w granicach 0,015-0,02 mm, natomiast dla ekstensometru 006 różnica w rozwartości wynosi około 0,25 mm.

W przypadku zastosowania tensometrów strunowych zakres byłby już wykorzystany w 50%, co przy dalszej tendencji szczeliny do zwiększenia swojej rozwartości groziłoby szybkim przekroczeniem zakresu pomiarowego. Z kolei za zastosowanie przyrządu Geokon 4420 (zakres pomiarowy 12,5 mm) pracowałby jak do tej pory jedynie w 2% swojego zakresu pomiarowego, przez co uzyskane wyniki pomiarowe obarczone byłyby znacznymi błędami.

4. Wnioski

Na podstawie uzyskanych wyników można zaobserwować, że rozwartość poszczególnych szczelin zmienia się wraz z upływem czasu. Jednakże dla tensometru 006, różnica zmian rozwartości jest największa i wynosi około 0,25 mm. W tym przypadku zastosowania tensometrów strunowych zakres byłby już wykorzystany w 50%, co przy dalszej tendencji szczeliny do zwiększenia swojej rozwartości groziłoby szybkim przekroczeniem zakresu pomiarowego. Dlatego też zastosowanie autorskiego przyrządu pomiarowego (którego zakres wynosi 2,5 mm) jest trafnym rozwiązaniem.

Literatura

[1] Crawford F.C., Fale. PWN Warszawa 1973.

[2] Czarnecki L., Łukowski P., Naprawy i ochrona konstrukcji betonowych w świetle norm europejskich. Czasopismo Budownictwo, Technologie, Architektura, Tom nr 4, Rocznik 2008, Strony 52-55.

[3] Gustkiewicz J., Kanciruk A., Stanisławski L., Some advancements in soil strain measurement methods with special reference to mining subsidence. Mining Science and Technology, 2 (4), 237-252 (1985).

[4] Gustkiewicz J., Kanciruk A., Stanisławski L., Przetworniki strunowe. Elektronizacja, 1 (1995).

[5] Gustkiewicz J., Kanciruk A., Stanisławski L., Aparatura do pomiarów odkształceń gruntu i jej zastosowanie. Kon- ferencja Ochrona Środowiska terenów górniczych, (1996).

[6] Kanciruk A., Metody tensometryczne w badaniach przemieszczeń, deformacji i zjawisk dynamicznych w gruncie i obiektach budowlanych. Monografia 2012, 15, 40-130.

[7] Włosińska E., Wykorzystanie innowacyjnego przetwornika przemieszczeń do pomiaru deformacji konstrukcji budow- lanej. Prace Instytutu Mechaniki Górotworu PAN, Tom 21, nr 1-4, 2019, s. 27-32.

[8] Zagajewski T., Malzacher S., Kwieciński A., Elektronika przemysłowa. Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, 1975, 204-233.

[9] Źr. internet:(http://www.geokon.com/4420)

The installation of a strain gauge set in the area of cracks in the masonry structure and monitoring of a wall crack width

Abstract

The paper presents the results of measurements of the cracks openings on a building structure. This year, we are gradually implementing improved extensometers with an elastic element in the form of a wave-shaped wire. A set of 4 extensometers of this type was installed in the area of wall cracks on the building structure. Extensometers and the complementary string thermometer were connected to an automatic recorder which periodically measures the relative displacements of wall fragments and the ambient temperature and saves the results of these measurements in the memory. This transducer has a range of 2.5 mm, with a measurement uncertainty of ± 0.025%. The purpose of the device installation is to monitor the opening of the crack caused by settlement of the building. Several months of testing with the use of equipment shows slight changes in the opening of the wall gaps.

Keywords: extensometer, string strain gauge, dilatometer