6 instrumenti - deformacije

STATIČKO ISPITIVANJE KONSTRUKCIJA

MJERENJE DEFORMACIJA

Pri statičkom opterećenju neke konstrukcije osim što se njezine točke pomiču u prostoru tvoreći polje pomaka, one se i međusobno razmiču odnosno približavaju ili udaljavaju.

Pojam udaljavanja ili približavanja dviju bliskih točaka na konstrukciji tijekom opterećenja zove se deformacija. Ako su se točke međusobno udaljile nastala je

deformacija rastezanja ili vlaka i označava se obično "+", Ako su se približile nastala je deformacija stezanja ili

tlaka, a označava se se obično "-". Tako se govori o tlačnoj ili vlačnoj deformaciji.


Deformacije se mogu mjeriti tako da se mjeri promjena razmaka između dviju označenih točakana konstrukciji.

Instrumenti pomoću kojih se mjere deformacije zovu se tenzometri.

Naprezanja se ne mogu mjeriti nego se računaju iz izmjerenih deformacija pomoću poznatih izraza koji povezuju deformacije i naprezanja tzv. Hookeov zakon.

Razmak između dviju fiksiranih točaka točaka A i B obično se zove baza i najčešće se označava sa lo.


Razmak između dviju fiksiranih točaka točaka A i B obično se zove baza i najčešće se označava sa l0.

Baza tenzometra se bira ovisno o osobinama materijala konstrukcije koja se mjeri. Što je veća homogenost materijala konstrukcije, to je

baza tenzometra manja i obratno. za čelik - tenzometri na bazi od svega nekoliko milimetara za beton - tenzometri s bazom većom od 100 mm za zidane konstrukcije – baze koje kreću od 300 mm na više

Instrumenti za mjerenje deformacija

tenzometri: mehanički optički akustički elektromehaničke

elektrootporni, induktivni, kapacitivni i potenciometarski

Prilikom izbora odgovarajućeg tenzometra treba paziti da se uskladi mjerno područje tenzometra s deformacijom koja se očekuje na konstrukciji.

Instrumenti za mjerenje deformacija

Važan podatak nekog tenzometra je njegova osjetljivost. kod mehaničkih tenzometara to je uvećanje kod električnih rezolucija

Osjetljivost je podatak koji se na tenzometru čita na temelju podatka o osjetljivosti i promjeni udaljenosti

dviju točaka dobiva se deformacija:

0ll

Očl

l - promjena mjere bazeč - razlika očitanja na tenzometruO – osjetljivostE - relativna deformacija na bazi l0l0 - mjema baza

Instrumenti za mjerenje deformacija- mehanički tenzometri

Mehanički tenzometri su instrumenti za mjerenje deformacija mehaničkim putem. Pomak između dviju čvrstih točaka u kojima su

pričvršćene nožice instrumenta povećava se sustavom poluga i očitava na ljestvici instrumenta ili s pomoću mjernoga sata ili kojim optičkim putem.

Pomak se mehanički može povećati i do 1000 puta i tako učiniti čitljivim na milimetarskoj ljestvici.

Pričvršćenje instrumenta za konstrukciju ostvaruje se sustavom stega i pričvrsnica koje se isporučuju uz instrument i omogućuju raznolične načine pričvršćenja.

Instrumenti za mjerenje deformacija- mehanički Huggenergerov tenzometar

Legenda:1 – kruti okvir2 – nepomični oslonac3 – pomični oslonac4 – poluga5 – skala6 – jahač7 – opruga6 – kazaljka9 – podešavanje10 – kočnica


za mjerenje deformacija čelika na bazi od 20 mm

princip rada: instrument ima jednu nepokretnu i jednu pokretnu nožicu pokretna nožica oslanja se donjim krajem na površinu

konstrukcije a s gornjim na jahač u obliku slova T pomak prenosi na kazaljku koja pomak prenosi na

milimetarsku ljestvicu

omjer krakova pokretne nožice je 50:1, a omjer krakova kazaljke 20:1 postiže se povećanje stvarnog pomaka na konstrukciji 1000 puta.


Nedostaci: neosjetljivi na male deformacije uspjeh mjerenja ovisi o načinu pričvršćenja, odnosno

oslanjanja nožica koje mogu proklizavati za svako mjerno mjesto potrebno imati po jednog

opažača uz instrument želi li se očitanje na više mjesta obaviti istodobno

mjerenje podložno ljudskom činitelju (pogrešno očitanje) nepogodni za teške terenske uvjete rada jer je

instrumente teško zaštititi za dugotrajna promatranja deformacija nisu pogodni

Instrumenti za mjerenje deformacija- mehanički prijenosni komparator (deformetar)

za mjerenje deformacija u većim vremenskim razmacima

ima različitih tipova Berry-jev prijenosni komparator deformetar tipa Whitemore deformetar tipa Demec deformetar tipa Pfender

prijenosni instrument koji se postavlja u markiceprethodno pričvršćene na konstrukciju na poznatome razmaku obično 100, 200, 250, 254 ili 400 mm


Legenda:1 – tijelo2 – nepomična nožica3 – pomična nožica4 – mikroura5 – reper


Prijenosni komparatori


Reperi za prijenosni komparator


Instrument se sastoji od dva pomična dijela spojena elastičnim oprugama.

Na kraju je svakog dijela nožica s čunjastim šiljkom koji se pri mjerenju utakne u utor mjerne markice na koju naliježe po plaštu čunja nožice. Tako je moguće izduljenje ili skraćenje razmaka nožica

instrumenta.

Mjerni sat pričvršćen je na jednom dijelu, a njegovo ticalo dodiruje drugi dio instrumenta pa njihovim međusobnim pomicanjem nastaje pomicanje ticala a time i kazaljke mjernoga sata.

Očitanje pomaka na deformetru provodi se izravnim očitanjem osjetljivog mjernog sata.


Mjerenje prvo se provede nulto očitanje, tj. očita ju se početni

razmaci markica na neopterećenoj konstrukciji (l1). na opterećenoj i deformiranoj konstrukciji se s

deformetrom se ponovno obiđu sva mjerna mjesta te se načini drugo očitanje (l2)

razlika dvaju očitanja daje veličinu promjene (izduljenja ili skraćenja) početnoga razmaka markica (l=l2-l1).

deformacija se tada proračuna po formuli

1

12

lll


Povećanje (primjer) povećanje pomoću mikroure može biti 1:1000 povećanje pomoći poluge na komparatoru 1:2 ukupno povećanje 1:2000 osjetljivost = 2000

kontrola točnosti mjerenja za eliminaciju utjecaja promjene temperature povremeno

se vrše kontrolna očitanja na "invarskom štapu" na početku i kraju mjerenja korekcija rezultata


prednosti: može se koristiti na velikom (proizvoljnom) broju mjernih

mjesta) mjerenje je jeftino pogodan za dugotrajna mjerenja jer se ne ostavlja na

konstrukciji time je zaštićen od korozije i drugih vremenskih utjecaja

nedostaci: uvijek pri mjerenju mora doći na mjerno mjesto da bi se

obavilo mjerenje neprecizan podliježe greškama pri mjerenju

Instrumenti za mjerenje deformacija- optički tenzometri

Rade na principu odbijanja svjetlosne zrake od ogledala koje se nalazi na pokretnoj nožici poluge mehaničkog okvira. koristi se samo u laboratorijima

Martens-ov zrcalni tenzometar

Legenda:1 – šipka2 – rombna prizma3 – zrcalo4 – skala5 – durbin6 – stezaljka

Instrumenti za mjerenje deformacija- optički tenzometri

princip rada: promjenom baze (lo) između pokretne i nepokretne

nožice stakalce se zakreće, a zraka svjetlosti mijenja kut i pokazuje odgovarajuću promjenu očitanja na skali

Osjetljivost instrumenta: ovisna o odnosu visine nožice "a" i udaljenosti skale "A"

00 lA2ač

ll

A2ač

Očl

aA2O

Instrumenti za mjerenje deformacija- akustični tenzometri

Rad akustičkih tenzometara se zasniva na promjeni frekvencije napete žice u ovisnosti o promjeni naprezanja u napetoj žici.

Instrumenti za mjerenje deformacija- akustični tenzometri

odredivanje deformacije pomoću akustičkih tenzometaras napetom žicom svodi se na mjerenje i određivanje vlastite frekvencije napete žice prije i nakon opterećenja

E

ffl4E

Effl4l

El

ffl4

fl4

l21f

21

22

2

21

22

3

21

22

222

22

f - vlastita frekvencija - naprezanje u žicil - duljina žice - gustoća materijala žiceE - modul elastičnosti

Instrumenti za mjerenje deformacija- električni tenzometri

više vrsta tenzometara koji rade na principu promjene električnih komponenata kao što su struja napon otpor kapacitet induktivitet termoelektricitet piezoelektricitet, itd.

navedeni će biti samo tenzometri koji se češće koriste pri statičkim mjerenjima na konstrukcijama

Instrumenti za mjerenje deformacija- električni tenzometri

navedeni će biti samo tenzometri koji se češće koriste pri statičkim mjerenjima na konstrukcijama potenciometarski senzori kapacitivni senzori induktivni senzori elektrootporni tenzometri (mjerne trake) instrumenti za mjerenje promjene otpora – Wheatstone-

ov most poluvodičke mjerne trake

Instrumenti za mjerenje deformacija- potenciometarski senzori

Služe za mjerenje pomaka i deformacija. Sastoje se od elektrootpornog elementa trake s kliznim kontaktom. Napajaju se konstantnim ulaznim naponom Vs ,a izlazni napon Vi se linearno mijenja sa pomicanjem kliznog kontakta x.

si VLxV

Instrumenti za mjerenje deformacija- kapacitivni senzori

Služe za mjerenje pomaka i deformacija. Rade na principu mjerenja promjene kapaciteta

između dvije paralelne ploče tzv. kapacitora. Kapacitet paralelnih ploča ovisi o njihovim površinama A, njihovoj

međusobnoj udaljenosti i dielektričnosti materijalajzmeđu ploča.

promjena kapaciteta između paralelnih ploča je nelinearna s pomakom

ovakvi senzori se rjeđe koriste

Instrumenti za mjerenje deformacija- induktivni senzori

napajanjem zavojnice koja je omotana oko magnetizirane jezgre pojavljuje se inducirani strujni tok Promjena induktiviteta je proporcionalna pomaku jezgre i

to nelinearno malo se koriste

Instrumenti za mjerenje deformacija- induktivni senzori – LVDT

linearno varijabilni diferencijalni transformer – LVDT osjetilo na bazi magnetne indukcije linearna veza između pomaka jezgre i izlaznog napona

mjerenje deformacija pri statičkom ispitivanju i pri niskofrekventnom dinamičkom ispitivanju

LVDT osjetilo za mjerenje deformacija ima tijelo sa nepokretnom nožicom i jezgru sa pokretnom nožicom nožice se specijalnim ljepilom zalijepe na konstrukciju dužina mjerne baze od 50 - 500 mm

često se koriste


princip rada: tijekom deformiranja konstrukcije mijenja se razmak

između točaka na konstrukciji, odnosno između nožica LVDT -a pomiče se jezgra osjetila u odnosu na primarnu i sekundarnu

zavojnicu kao posljedica linearno se mijenja izlazni napon

osjetjivost: svaki LVDT ima svoju osjetljivost koja se izražava u

mV/mm


Princip rada LVDT-a za mjerenje deformacija


Izgled LVDT-a za mjerenje deformacija


Primjena LVDT-a za mjerenje deformacija

Instrumenti za mjerenje deformacija- elektrootporni tenzometri

zovu se još i elektrootporne mjerne trake (eng. strain gages)

princip mjerenja postavio je Lord Kelvin 1856. g. utvrdivši da se bakrenoj i čeličnoj žici otpor povećava pri rastezanju

koristio je Wheatstone-ov most i galvanomjer kao instrumente za registraciju promjene električnog otpora

metoda je stara oko 70 godina Simmons je 1938. konstruirao i upotrijebio mjernu traku

pri mjerenju udara na čeličnom štapu


metoda je široko primijenjena u svim tehničkim područjima gdje je važno mjerenje deformacija

elektrootpomi tenzometri upotrebljavaju se u gotovo svim elektronskim instrumentima čiji je zajednički naziv pretvarači služe za pretvaranje mehaničkih veličina u električne

(pretvarač i sile, tlaka, temperature i dr.)


opis instrumenta: sastavljeni su od:

tankih žica koje su savijene po nekoliko puta uzduž trake nosećeg elementa na kojeg je zalijepljena žica

žica može biti od: bakra, nikla, čelika, kroma, konstantana itd.

noseći element od: papira, sintetičke (fenolne ili akrilne) smole, poliamida

Najčešće se traka dobiva prešanjem nosećeg materijala s obje strane savijenih žica.


Uzdužni presjek zalijepljene mjerne trake

Tlocrti mjernih traka

1 - savijena žica 2 - noseći dio trake 3 - zaštitni kit 4 - ljepilo 5 konstrukcija 6 - kabeli 7 - pričvršćivač kabela


veličina mjerne baze od 0,6 mm do 150 mm mala mjerna baza prikladna je za homogene i sitnozrnate

materijale poput čelika za nehomogeni materijal kao što je beton potrebno je

odabrati tenzometar s većom mjernom bazom (60-150 mm) na maloj bazi mjerili bi lokalnu deformaciju pojedinog kamena ili

morta što nas, obično, ne zanima

koriste se u temperaturnim uvjetima ispitivanja od -200°C do +300°C


montaža Noseći element se specijalnim ljepilom lijepi na površinu

konstrukcije. Ljepilo ima dovoljnu krutost i svojstvo da prenosi

deformaciju konstrukcije na mjernu traku. Mjerna traka se lijepi na suhu i očišćenu podlogu i

zaštićuje se specijanim kitom protiv vlage vlaga nepovoljno djeluje na traku


princip rada zasniva se na linearnom odnosu promjene električnog

otpora u odnosu na promjenu deformacije na mjestu zalijepljene trake na konstrukciji

Promjenom duljine i promjera žice kojom teče električna struja mijenja se pripadajući otpor žice.

S pomoću osjetljivog instrumenta može se ta promjena otpora izmjeriti zbog linearne zavisnosti promjene otpora i promjene deformacije

izravno i očitati u jedinicama u kojima se izražava deformacija konstrukcije (mm/mm).


princip rada

za pojedinu mjernu traku dobivaju se podaci o vrijednosti R i K od proizvođača K je približno 2 R je u rasponu od 100 do 1000 (obično 400 do 500 )

R - otpor u žici - specifični otporA - ploština presjeka žiceD - promjer žicec - konstantaL - duljina mjerne baze

K - faktor proporcionalnosti (K~2.0) - deformacija

K - faktor proporcionalnosti R - promjena otpora u žiciL - promjena duljine mjerne baze


princip rada Tijekom ispitivanje mjeri se R, odnosno određuje

vrijednost relativne deformacije u smjeru trake na mjestu mjerenja.

traka koja se izdužuje daje pozitivnu promjenu otpora i predstavlja vlačnu deformaciju

traka koja se skraćuje daje negativnu promjenu otpora i predstavlja tlačnu deformaciju

Da bi se postigla veća promjena električnog otpora, na malu se površinu podloge žica prilijepi u zmijolikom obliku.


Za mjerenje deformacija u više smjerova, umjesto da se lijepe pojedinačni tenzometri u željenim smjerovima proizvode se "rozete" kod kojih se 2 ili 3 tenzometranalaze na jednoj podlozi i istodobno lijepe na konstrukciju.

Rozete za mjerenje deformacija u više smjerova

Instrumenti za mjerenje deformacija- specijalne mjerne trake

za mjerenje pritiska fluida često se koriste membranskemjerne trake

mjere deformacije membrane u radijainom i tangencijalnom smjeru

izrađene su u obliku kruga oblikovane su tako da mjere glavne deformacije

membrane


Zahtjevi za žice mjernih traka su: visoki faktor trake veliki specifični otpor niska temperaturna osjetljivost visoka električna stabilnost velika linearna rastezljivost niska histereza materijala visoka korozivna otpornost


Najviše problema prilikom mjerenja mjernim trakama zadaje promjena temperature. Pri promjeni temperature

različito se izdužuje žica u odnosu na noseći element na koji je žica nalijepljena

mijenja se specifični otpor žice

Posljedica ovih pojava je promjena otpora trake bez promjena opterećenja na konstrukciji

najbolji materijal je "Konstantan" (legura: 30% bakra i 70% nikla) , ima neznatno temperaturno produljenje u području temperatura

od -100 °C do +200 °C


Zahtjevi za noseći element i ljepilo su: minimalna debljina dovoljna mehanička otpornost dovoljna otpornost na zamor i puzanje minimalna podložnost temperaturnom utjecaju mala higroskopnost itd.

Danas se najčešće koristi podloga od epoksidne smole - za temperature < od 120 °C materijali na bazi cementa i keramike - za visoke temperature

Proizvođači mjernih traka isporučuju odgovarajuća ljepilai propisuju postupke za njihovu primjenu u praksi.


Prednosti mjerenja elektrootpornim tenzometrima: velika preciznost mjerenja mogućnost istodobnog mjerenja na velikom broju mjesta centralizirano bilježenje podataka automatskim uređajem

s velikog broja mjernih mjesta mjerenje pri velikoj udaljenosti od mjerne opreme do

mjernog mjesta mogućnost mjerenja u velikom rasponu temperatura i

vlažnosti te u teškim okolišnim uvjetima, pa i pod vodom


Prednosti mjerenja elektrootpornim tenzometrima: mogućnost mjerenja deformacija u više smjerova mogućnost mjerenja statičkih i dinamičkih pojava mogućnost mjerenja dugotrajnih pojava pouzdanost mala masa prihvatljiva cijena


Nedostaci mjerenja elektrootpornim tenzometrima: jednokratna upotreba tenzometra mjerenje površinskih deformacija bez uvida u stanje u

unutrašnjosti konstrukcije mjerenje deformacija u točki što za dobivanje slike polja

naprezanja zahtijeva veliki broj mjernih mjesta vrlo precizan rad koji se zahtijeva pri njihovu postavljanju

čišćenje i odmašćivanje površine lijepljenje posebnim ljepilom zaštita površine od mehaničkih i atmosferskih utjecaja vođenje kabela do centralnog mjesta za bilježenje podataka

Instrumenti za mjerenje promjene otpora- Wheatstone-ov most

Mjerenje vrlo male promjene električnog otpora moguće je uređajem koji se po svom pronalazaču (1843) naziva Wheatstoneov (Vetstonov) mjerni most ili kraće "mjrni most".

tim uređajem se promjene električnog otpora očitavaju izravno u jedinicama deformacije konstrukcije E.

Instrumenti za mjerenje promjene otpora- Wheatstone-ov most

Suvremeni uređaji sadrže automatske preklopnike(eng!. scanner) koji u brzom slijedu (i do 1000 mjernih mjesta u sekundi) mogu očitati velik broj mjernih mjesta i podatke spremiti na disk računala.

Obradu podataka, tablične i grafičke prikaze omogućuje softver koji se isporučuje uz opremu.

Proračun glavnih naprezanja iz izmjerenih deformacija - Jednoosno stanje naprezanja

Uz pretpostavku da nema poprečnog suženja pri jednoosnom naprezanju (=0) iz Hookeova zakona proizlazi veza deformacije i naprezanja

Proračun glavnih naprezanja iz izmjerenih deformacija - Dvoosno stanje naprezanja

poznati smjerovi glavnih naprezanja Ako su smjerovi glavnih naprezanja poznati (npr. iz

teorije ili iskustva), dovoljno je mjeriti deformacije tenzometrima postavljenim u dva međusobno okomita smjera.

vrijednosti glavnih deformacija proračunavaju se primjenom formula:


poznati smjerovi glavnih naprezanja

glavna naprezanja i glavne deformacije povezane su ovim izrazima:


nisu poznati smjerovi glavnih naprezanja Veličine glavnih naprezanja mogu se proračunati, ako su

poznate deformacije u glavnim smjerovima. Da bi se proračunale deformacije u glavnim smjerovima,

dovoljno je izmjeriti deformacije u bilo koja tri smjera. Iz poznavanja međusobnog položaja ta tri smjera mogu se

proračunati i glavne deformacije.


nisu poznati smjerovi glavnih naprezanja primjer za rozetu pod kutem od 60o

1 - kut koji zatvara pravac najveće glavne deformacije max s pravcem tenzometra 1


određivanje smjerova glavnih naprezanja metodom krtih lakova

element premažemo krtim lakom opteretimo konstrukciju lak puca okomito na smjer vlačnih naprezanja, odnosno

daje sliku tlačnih trajektorija (okomito na njih su vlačne trajektorije)

Proračun glavnih naprezanja iz izmjerenih deformacija - Troosno stanje naprezanja

potrebno mjeriti deformacije u tri prostorna smjera potrebna ugradnja tenzometara u konstrukciju rijetko se provodi samo kod vrlo važnih objekata: brana ili sličnih prostornih

konstrukcija

6 instrumenti - deformacije

Documents