PL249439B1 - Stanowisko badawcze do badania sztywności i tłumienia paneli ściennych - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia jest przedstawione na rysunku stanowisko badawcze do badania sztywności i tłumienia paneli budowlanych tj. elementów ściennych jak i łączników konstrukcyjnych wykonanych w różnych technologiach budownictwa np. drewnianego, mający zastosowanie praktyczne zwłaszcza w badaniach dynamicznych ściennych paneli drewnianych budynków, w tym prefabrykowanych oraz elementów łączenia tych konstrukcji (szkielet tradycyjny, szkielet prefabrykowany, ściany z litego drewna, ściany z CLT itd.). Wynalazek umożliwia badania maksymalnej siły niszczącej paneli ściennych i przemieszczeń paneli ściennych.

Description

Opis wynalazku

Wynalazek dotyczy stanowiska badawczego do badania sztywności i tłumienia paneli budowlanych tj. elementów ściennych jak i łączników konstrukcyjnych wykonanych w różnych technologiach budownictwa np. drewnianego, mający zastosowanie praktyczne zwłaszcza w badaniach dynamicznych ściennych paneli drewnianych budynków, w tym prefabrykowanych oraz elementów łączenia tych konstrukcji (szkielet tradycyjny, szkielet prefabrykowany, ściany z litego drewna, ściany z CLT itd.). Wynalazek umożliwia badania maksymalnej siły niszczącej paneli ściennych i przemieszczeń paneli ściennych.

Podczas projektowania ścian oraz łączników, szczególnie w różnych technologiach budownictwa drewnianego aspekt sztywności oraz tłumienia ściany jest często pomijany. Z uwagi na lekkość konstrukcji w technologiach budownictwa drewnianego aspekt sztywności ścian jest szczególnie istotny.

Ze zgłoszenia patentowego CN203101194U znane jest stanowisko składające się z urządzenia do badania ścinania ruchomej ściany, zawierającego przednią ramę portalową i tylną ramę portalową, przy czym przednia rama portalowa i tylna rama portalowa są połączone przez boczną podporę; belka górna i belka dziobowa są umieszczone na tylnej ramie portalowej. W kwestii wynikowo badawczej stanowisko odnosi się do pewnego rodzaju nowej przestrzeni w teście asymetrii napięcia polaryzacji przekroju i nośności. Opisane stanowisko składa się z przedniej i tylnej ramy portalowej. Niedogodnością znanego rozwiązania jest jednak brak możliwości testowania analizowanych elementów pod kątem odporności dynamicznej, sejsmicznej oraz sztywności.

W dokumencie CN207622863U wskazano informacje na temat testowej ściany akustycznej z warstwą antywibracyjną zrobioną z materiału antywstrząsowego cystosepiment. Na niej zamocowany jest stojak z czujnikami, składający się z dwóch pierwszych płyt montażowych, dwóch drugich płyt montażowych i czterech kart mocujących. Prosta konstrukcja umożliwia instalację wielu czujników pomiaru dźwięku z różnych kątów i umożliwia dokładne pomiary akustyczne dzięk i warstwie antywibracyjnej, która redukuje błędy wynikające z wibracji. Elementem patentowym jest tu ściana do badań akustycznych. Niedogodnością znanego rozwiązania jest możliwość jedynie pomiaru akustycznego co nie odzwierciedla dynamiki konstrukcji w ty m badania sztywności i tłumienia paneli ściennych.

WCN102818729A opisano urządzenie i metodę do wykrywania nośności zginania ściany budynku. Urządzenie składa się z stołu testowego, filarów podporowych, podpór tocznych, belki rozłożystej, dźwigni, pompy olejowej, czujnika ciśnienia i wyświetlacza numerycznego. Siła zastosowana przez dźwignię jest rozłożona równomiernie na ścianie testowej przez belki rozłożyste i podpory toczne. Metoda opiera się na równomiernym obciążeniu ściany testowej przez dźwignię i belki zawieszone, aż do momentu złamania się ściany, a siła złamania jest przekazywana przez czujnik ciśnienia do wyświetlacza numerycznego. Całość dotyczy metody badania nośności na zginanie w której to jako główny element pomiarowy funkcjonuje czujnik ciśnienia. Niedogodnością tego rozwiązania jest badanie nośności na zginanie i brak możliwości analizy dynamicznej w różnym zakresie częstotliwości, w tym sztywności i tłumienia paneli ściennych.

Celem wynalazku było zatem opracowanie takiego stanowiska badawczego, aby umożliwiało badanie sztywności oraz tłumienia panela ściennego i cechowało się ono: uniwersalnością w kontekście wykorzystanych technologii budownictwa drewnianego oraz kompleksowością aby móc zarówno przeanalizować elementy ścienne jak i łączniki konstrukcyjny pod kątem maksymalnej siły oraz późniejszej oceny sztywności i tłumienia paneli ściennych. Celem ponadto było opracowanie stanowiska umożliwiającego obliczania sztywności oraz tłumienia dla układu ściennego w szybki i dokładny sposób bez prowadzenia żmudnych obliczeń oraz analiz numerycznych. Celem była możliwość analizy dynamicznej w różnym zakresie częstotliwości pracy siłownika dynamicznego działającego w różnym zakresie działania siły oraz przemieszczenia. W celu potwierdzenia efektywności opracowanego rozwiązania konieczne jest przedstawienie przykładów wykonania danego stanowiska, co pozwoli na uprawdopodobnienie osiąganych wyników.

Znanych jest wiele rodzajów czujników w tym wymienić można pięć głównych grup, a mianowicie: czujniki indukcyjne, sensory magnetyczne, pojemnościowe, laserowe, optyczne i ultradźwiękowe. Celem wynalazku było opracowanie odpowiedniej konstrukcji stanowiska, w tym dobranie odpowiednich czujników.

Przedmiotem wynalazku jest opracowane stanowisko badawcze do bad ania sztywności oraz tłumienia dla paneli ściennych. Stanowisko to zawiera w zasadniczej części stalową ramę 2 w postaci dwuteownika utwierdzaną do podłoża 4 np. na wylewce betonowej i otworowanej blasze stalowej (lub kotwach stalowych) umożliwiającą testowanie elementów paneli ściennych. Stanowisko zawiera co najmniej jeden uchwyt mocujący 8 połączony do stalowej ramy 2 w sposób trwały np. przyspawany spoinami pachwinowymi, który symuluje utwierdzenie oraz realne zamocowanie testowanego panelu - elementu ściennego, przy czym uchwyt wykonany jest z dostosowaniem do rozstawu podstawowych wymiarów paneli testowanych tj. wymiarów prefabrykacji w technologii szkieletu drewnianego. Do uchwytu mocującego zamocowana jest z jednej strony - na końcu uchwytu mocującego 8 - narożna blacha mocująca 7 do utwierdzania elementu badawczego. Z drugiej strony uchwytu mocującego 8 wykonana jest stalowa blokada 9 w postaci profilu podtrzymującego bocznie i od góry umieszczany panel badawczy. Blokada 9 stanowi element ruchomy stanowiska. Pomiędzy narożną blachą mocującą 7 a stalową blokadą 9 na uchwycie mocującym 8 mocuje się testowane panele ścienne. Taka budowa pozwala na precyzyjne dopasowanie i zablokowanie panelu pomiędzy blachą narożną 7 a blokadą stalową 9, aby zapewnić dokładne i powtarzalne warunki badawcze. Ponadto po jednej stronie uchwytu mocującego 8 w narożnej blasze mocującej 7 dzięki zastosowaniu otworów w narożach 11 możliwe jest zamocowanie panelu testowanego na stanowisku, co daje elastyczność w wyborze metody mocowania w zależności od wymagań badania oraz technologii. Otwory 11 wykonane w narożnej blasze mocującej 7 umożliwiają zamocowanie np. przykręcenie badanego elementu ściennej do uchwytu mocującego w sposób rozłączny, z wykorzystaniem znanych elementów mocujących o zróżnicowanych średnicach i rodzajach dostosowanych do zamocowania elementu w podwalinie lub kotwienia w fundamencie 4. Czyli po przeciwnej stronie narożnej blachy mocującej 7, w uchwycie mocującym 8 wykonana jest blokada 9 do stabilizacji/blokowania położenia badawczego elementu ściennego np. wykonana w formie stalowego przekroju zamkniętego, wykonana tak aby po zamocowaniu badanego panelu ściennego w uchwycie przylegała blokada w sposób stykowy do badanego elementu umożliwiając ograniczenie przemieszczania badanego panelu ściennego jedynie do płaszczyzny poziomej, co pozwala na precyzyjną analizę oddziaływań na element badawczy. Ponadto stanowisko zawiera co najmniej jeden siłownik dynamiczny 1 zamocowany rozłącznie np. poprzez przykręcenie po jednej ze stron ramy 2 do stalowej blachy 5, charakteryzujący się regulowanym skokiem i przyspieszeniem, co pozwala na symulowanie różnych warunków obciążeniowych.

Co istotne, dodatkowo, stanowisko wyposażone jest w co najmniej jeden tensometryczny czujnik siły 10 (np. KMM40) oraz jeden laserowy czujnik przemieszczeń 12 (np. optoNCDT1302), powiązane znanymi środkami elektrycznymi/okablowaniem ze znaną jednostką pomiarową nie będącą częścią bezpośrednią stanowiska - jednostka obliczeniowa zaopatrzona w pamięć z zaimplementowanym algorytmem umożliwiającym odczyt danych z czujników np. komputer z jednostką pomiarową np. HBE oraz oprogramowaniem np. Catman, co umożliwia dokładną rejestrację oraz pomiar siły i przemieszczenia w zadanej częstotliwości. Czujnik siły 10 zamocowany jest do ramienia siłownika poprzez bezpośrednie przykręcenie natomiast czujnik przemieszczeń 12 do ramy podstawy 2 specjalnym elementem mocującym do czujnika przemieszczeń 13 (np. uchwytem stolarskim).

Wszystkie te elementy i sposób powiązania są kluczowe dla funkcjonowania wynalazku i pozwalają na jego efektywne wykorzystanie w badaniach.

Cechami konstrukcyjnymi - nowymi wynalazku jest zastosowanie kombinacji stałych i rozłącznych elementów mocujących 1-13, które pozwalają na symulację realnych warunków obciążeniowych. Z czego rozłącznymi elementami stanowiska są elementy takie jak stalowa blokada przed przemieszczeniem pionowym elementu badawczego, czujnik siły, czujnik przemieszczeń oraz element mocujący do czujnika przemieszczeń.

Pozostałe elementy konstrukcyjne są elementami stałymi, zamocowanymi trwale.

Przede wszystkim zastosowano zamocowany do ramy stalowej uchwyt mocujący z narożną blachą oraz blokadą do mocowania rozłącznego testowanego panelu i w ten sposób ograniczającej przemieszczenie panelu do jednej płaszczyzny, co umożliwia precyzyjne przemieszczeniowe badania dynamiczne. Do symulacji obciążenia służy siłownik dynamiczny. Do mocowania panelu do badania służą narożna blacha, uchwyt mocujący i stalowa blokada oraz otwory, natomiast do prawidłowego wykonania pomiarów czujnik siły zainstalowany na ramieniu siłownika oraz czujnik przemieszczeń.

Wynalazek umożliwia badania maksymalnej siły niszczącej paneli ściennych i przemieszczeń paneli ściennych. Wynalazek pozwala osiągać następujące korzyści: precyzyjne badanie zachowania paneli ściennych pod obciążeniem, symulację realnych warunków eksploatacji, możliwość testowania różnorodnych materiałów, konstrukcji oraz łączników konstrukcyjnych, a także dokładne mierzenie parametrów dynamicznych, takich jak maksymalnej siły niszczącej działającej na panele oraz maksymalne przemieszczenia. Umożliwia to szybką kalkulację sztywności oraz tłumienia dla badanych paneli oraz optymalizację konstrukcji pod kątem ich wytrzymałości, przyczyniając się do poprawy bezpieczeństwa i trwałości konstrukcji. Bezwzględną korzyścią płynącą z tak zaprojektowanego stanowiska jest możliwość przeprowadzenia sprawnych i szybkich badań dynamicznych z pominięciem długich procedur obliczeniowych oraz wykonywaniem skomplikow anych modeli numerycznych. Ponadto możliwe jest również prowadzenie analiz dynamicznych w różnym zakresie częstotliwości. Stanowisko posiada wytrzymałą bo stalową ramę a ponadto wiele elementów konstrukcyjnych jak uchwyt mocujący, blokada umożliwiająca pewne umieszczenie panelu na stanowisku. Podczas badań panele badane są poddawane wymuszeniom harmonicznym, które mogą być programowane w zakresie częstotliwości od 0.5 do 10 Hz i dla różnych wartości przemieszczeń zadanych siłownikowi dynamicznemu.

Rozwiązanie według wynalazku przedstawione jest w przykładzie wykonania i na rysunku, gdzie fig. 1 ilustruje zdjęcie stanowiska z badanym elementem zamocowanym do uchwytu mocującego, fig. 2 - widok z boku stanowiska badawczego, fig. 3 - widok z góry ramy stalowej stanowiska bez siłownika fig. 4 - widok przestrzenny elementu mocującego badanu panel. Na fig. 5 pokazano widok na całe stanowisko w widoku aksonometrycznym.

W kontekście figury 2, 3 i 4, każda z nich szczegółowo przedstawia poszczególne komponenty stanowiska i ich konfigurację, co jest niezbędne dla zrozumienia całego procesu badawczego. Figura 4 przedstawia szczegółowo konstrukcję uchwytu mocującego, podkreślając jego znaczenie w stabilizacji panelu. Figura 3 szczegółowo ukazuje siłownik i sposób jego montażu, co jest kluczowe dla zrozumienia mechanizmu aplikowania obciążeń. Natomiast figura 1 koncentruje się na systemie czujników, podkreślając ich rolę w precyzyjnym pomiarze siły niszczącej działającej na panel oraz przemieszczenia, które pozwalają na szybką kalkulacje sztywności oraz tłumienia.

Oznaczenia z rysunku

- siłownik dynamiczny (element stały)

- rama stalowa podstawy (element stały)

- spoiny pachwinowe przy blasze mocującej siłownik (element stały)

- fundamenty betonowe, kotwiące (podmurówka) (element stały)

- stalowa blacha pod siłownik (przekrój otwarty, otworowana) (element stały)

- łaska blacha stalowa do posadowienia ramy stanowiska (element stały)

- narożna blacha mocująca do utwierdzenia elementu badawczego (element stały)

- uchwyt mocujący na elementy badawcze (element stały)

- stalowa blokada przed przemieszczeniem pionowym elementu badawczego (element rozłączny)

- czujnik siły KMM40 (element rozłączny)

- otwory w narożach (7) do mocowania (kotwienia) elementów badawczych (element stały)

- czujnik przemieszczeń optoNCDT1302 (element rozłączny)

- element mocujący do czujnika przemieszczeń (np. chwyt stolarski) (element rozłączny)

Do ramiennie siłownika mocuje się czujnik siły rozłącznie np. za pomocą śruby - co nie pokazano na rysunku.

Przykład 1

Jak pokazano na fig. 1, stanowisko składa się z utwierdzonej do podłoża na fundamencie betonowy. 4 tj. wylewce betonowej i otworowanej blasze stalowej 6 ramy stalowej 2 o wymiarach 3,0x0,50 m oraz przyspawanego prostopadle do niej uchwytu mocującego 8 o wymiarach 1,50x0,60 m, umożliwiającego testowanie elementów paneli ściennych. Konstrukcja oparta jest na wysokiej jakości stali konstrukcyjnej, zapewniającej niezbędną wytrzymałość i stabilność ramy. Uchwyt mocujący 8 symuluje utwierdzenie oraz realne zamocowanie prefabrykowanego elementu ściennego do podwaliny, co jest istotne dla realistyczności testów. Narożna blacha mocująca 7, wykonana po obu stronach u dołu ramy uchwytu mocującego 8, pozwala przykręcić element ścienny otworami 11 do uchwytu mocującego 8 czterema śrubami o średnicy 10 mm. Konstrukcja mocowania została zaprojektowana tak, aby zapewnić maksymalną stabilność i precyzję podczas montażu paneli.

Po przeciwnej stronie mocowania wykonana została specjalna blokada stalowa 9, zapewniająca przemieszczanie elementu badawczego jedynie w płaszczyźnie poziomej. Blokada 9 jest kluczowa do izolowania ruchu badanego elementu, co pozwala na precyzyjne analizy zachowania paneli pod obciążeniem. Po jednej ze stron ramy stalowej 2 przy pomocy stalowych blach otwartych, otworowanych 5, przyspawanych na długości spoiną pachwinową 3, zamocowano siłownik 1 ETB125 firmy PARKER. Siłownik ten, o maksymalnym skoku 0,5 m, maksymalnym przyspieszeniu 10 m/s² i maksymalnej sile 15kN, jest kluczowym elementem do aplikowania wymuszeń na badane panele.

Ponadto, elementami stanowiska jest również tensometryczny czujnik siły 10 KMM40, o maksymalnej sile mierzalnej +- 50 KN oraz laserowy czujnik przemieszczeń 12 optoNCDT1302 o maksymalnym mierzalnym przemieszczeniu ±100 mm. Czujnik siły 10 oraz czujnik przemieszczeń 12 pozwalają na precyzyjny odczyt parametrów pracy panelu, umożliwiając dokładną analizę jego zachowania pod obciążeniem z zadanym mierzalnym przemieszczeniem i określeniem maksymalnej siły niszczącej oraz działającej na panel.

Opis przeprowadzenia badania maksymalnej siły działającej na panel ścienny, przemieszczenia panelu oraz kalkulacji sztywności i tłumienia. W tym przykładzie poddano badaniu panel prefabrykowanej drewnianej ściany szkieletowej.

Podczas badań eksperymentalnych prowadzonych na stanowisku badawczym modele poddawano wymuszeniom harmonicznym. Badania prowadzono dla różnych programowanych częstotliwości w zakresie 0.5 do 10 Hz oraz różnej deklarowanej wartości przemieszczeń tj. 0-50 cm. Wynikiem badań są zestawienia sił działających na panel w danym zakresie przemieszczeń, siły niszczącej a także częstotliwości pracy siłownika, co pozwala na stworzenie reprezentatywnych pętli histerezy zależności siły do przemieszczenia. Na podstawie pętli histerezy uzyskanych z badania możliwe relatywnie szybkie skalkulowanie parametrów sztywności oraz tłumienia badanych paneli ściennych.

Podczas badań eksperymentalnych prowadzonych na stanowisku badawczym modele poddawane były wymuszeniom harmonicznym. Badania na stanowisku można prowadzić dla różnych programowanych częstotliwości pracy siłownika (0,5-10 Hz) oraz różnej deklarowanej wartości przemieszczeń. Podczas każdego testu wykorzystuje się tensometryczny czujnik siły KMM40 o maksymalnej sile mierzalnej ±50 kN oraz laserowy czujnik przemieszczeń optoNCDT1302 o maksymalnym mierzalnym przemieszczeniu ±100 mm. Rejestrowane są siły i przemieszczenia panelu generowane przez wymuszenia dynamiczne, a wynikiem są zestawienia parametrów w postaci reprezentatywnych pętli histerezy. Badania umożliwiają odczyt maksymalnych sił w tym sił niszczących oraz przemieszczenia przy zadanej sile, co jest kluczowe do określenia nośności i wytrzymałości danego panelu ściennego. Jako wyniki badań otrzymuje się siłę oraz maksymalną siłę działającą na panel ścienny oraz przemieszczenie panelu w zależności od zadanej częstotliwości wymuszeni siłownika np. 2 Hz - 10 mm i 3,8 kN oznacza przemieszczenie elementu o 10 mm przy działającej sile 3,8 kN i pracy siłownika o częstotliwości 2 Hz.

Na podstawie uzyskanych danych z czujnika siły w połączeniu z danymi uzyskanymi z czujnika przemieszczeń i utworzonych pętli histerezy mogą być kalkulowane wartości sztywności oraz tłumienia badanych paneli ściennych. Badania mają charakter niszczący i mogą być prowadzone dla różnych elementów w technologii budownictwa drewnianego (szkielet tradycyjny, szkielet prefabrykowany, ściany z litego drewna, ściany z CLT itd.).

Potwierdzenie efektów badania danego panelu ściennego jest realizowane przez analizę danych uzyskanych z czujników, co umożliwia dokładne określenie parametrów pracy panelu pod obciążeniem. Dzięki temu możliwe jest monitorowanie przemieszczenia oraz siły działającej na panele ścienne wykonanych w różnych technologiach budownictwa drewnianego. Te informacje są nieocenione w kontekście projektowania i weryfikacji elementów budowlanych, co czyni opisane stanowisko niezbędnym narzędziem w nowoczesnym inżynierii materiałowej i budowlanej.

Wyniki przeprowadzonego badania panelu pozwalają określić przemieszczenie oraz siłę działającą na panel ścienny w odniesieniu do częstotliwości pracy i przemieszczenia siłownika. Pozwala to w pełni przeanalizować zakres sił działających na panele w odniesieniu do częstotliwości wymuszeń przemieszczenia zadanych na siłowniku, co poza samą siłą i przemieszczeniem panelu pozwala również określić parametry zmęczeniowe badanej konstrukcji oraz zakres częstotliwości wymuszeń przy których konstrukcja ta lepiej wytrzymuje obciążenia dynamiczne, a także określić jego sztywność i tłumienie.

Zarejestrowano następujące dane odczytane z czujników. Jako wyniki badań otrzymuje się siłę działającą na panel ścienny narożnika oraz jego przemieszczenie w zależności od zadanej częstotliwości wymuszeni siłownika tj.

1. 4 kN - 8 mm - 0,5 Hz

2. 7 kN - 15 mm - 1 Hz

Badanie polegało na poddawaniu panelu ściennego wymuszeniom harmonicznym za pomocą siłownika, który generował przemieszczenia przy różnych częstotliwościach. Dane z czujnika siły rejestrowały wartości siły w miejscu przyłożenia ramienia siłownika natomiast dane z czujnika przemieszczeń rejestrowały maksymalne przemieszczenie panelu przy zadanej sile dla każdej zadanej częstotliwości wymuszenia. Otrzymane wyniki to m.in.: 4 kN - 8 mm przy 0,5 Hz, 7 kN - 15 mm przy 1 Hz. Interpretacja wyników pozwala określić parametry zmęczeniowe konstrukcji, zakres sił, przemieszczenia i zakres częstotliwości, przy których panel najlepiej wytrzymuje obciążenia dynamiczne. Otrzymane dane pozwalają również skalkulować parametr sztywności w kN/m oraz tłumienia w % dla badanego na stanowisku panelu ściennego.

Ten wynik świadczy o zdolności panelu do wytrzymywania określonych obciążeń w kN, przemieszczeń w mm przy zadanej częstotliwości pracy siłownika. Dodatkowo, pozwala na optymalizację konstrukcji pod kątem wytrzymałości dynamicznej oraz sejsmicznej.

Claims (1)

1. Stanowisko badawcze do badania przemieszczenia paneli ściennych wyposażone w stalową ramę, znamienne tym, że stalowa rama (2) jest w postaci dwuteownika i umożliwia utwierdzenie do podłoża (4), a ponadto zawiera co najmniej jeden uchwyt mocujący (8) do mocowania badanego panelu połączony do stalowej ramy (2) w sposób trwały, przy czym uchwyt wykonany jest z dostosowaniem do rozstawu podstawowych wymiarów paneli a do uchwytu mocującego (8) zamocowana jest z jednej strony narożna blacha mocująca (7), zaś z drugiej strony uchwytu mocującego (8) wykonana jest stalowa blokada (9) w postaci profilu podtrzymującego bocznie i od góry umieszczany panel, a ponadto pomiędzy narożną blachą mocującą (7) a stalową blokadą (9) na uchwycie mocującym (8) mocuje się panele ścienne, przy czym w narożnej blasze mocującej (7) wykonane są otwory (11) umożliwiające zamocowanie panelu, ponadto stanowisko zawiera co najmniej jeden siłownik dynamiczny (1) zamocowany rozłącznie do ramy 2 i co najmniej jeden tensometryczny czujnik siły (10) i co najmniej jeden laserowy czujnik przemieszczeń (12) oraz element mocujący (13) do czujnika przemieszczeń (12).