Σύγχρονη µέθοδος µετρήσεων υψηλής ακρίβειας και εποπτείας στην πειραµατική έρευνα της µηχανικής συµπεριφοράς φορέων οπλισµένου σκυροδέµατος

Transcript

1 Σύγχρονη µέθοδος µετρήσεων υψηλής ακρίβειας και εποπτείας στην πειραµατική έρευνα της µηχανικής συµπεριφοράς φορέων οπλισµένου σκυροδέµατος Β.Κ. Παπανικολάου Πολιτικός Μηχανικός ΑΠΘ, ΜSc DIC, Yποψήφιος ιδάκτωρ, Τµήµα Πολιτικών Μηχανικών, ΑΠΘ Σ.Κ. Αναγνώστης Πολιτικός Μηχανικός ΑΠΘ, Yποψήφιος ιδάκτωρ, Τµήµα Πολιτικών Μηχανικών, ΑΠΘ Λέξεις κλειδιά: πειραµατικές µετρήσεις, ηλεκτρονική συσκευή, λογισµικό, οπλισµένο σκυρόδεµα ΠΕΡΙΛΗΨΗ: Στην εργασία αυτή παρουσιάζεται µια αυτοµατοποιηµένη µέθοδος ψηφιακής καταγραφής πειραµατικών αποτελεσµάτων, η οποία χαρακτηρίζεται από υψηλή ακρίβεια, εποπτεία σε πραγµατικό χρόνο και χαµηλό κόστος. Περιλαµβάνει µια πρωτότυπη ηλεκτρονική συσκευή συνοδευόµενη από κατάλληλο λογισµικό, η οποία προσαρµόζεται µε ευκολία σε πειραµατικές διατάξεις παλαιού τύπου και αµιγώς αναλογικού χαρακτήρα. Μέσω του λογισµικού είναι δυνατή η βαθµονόµηση των αισθητήρων µέτρησης και των παραµέτρων καταγραφής. Παρατίθεται µια σειρά συγκριτικών καταγραφών σε απλά και συνθετότερα πειραµατικά δοκίµια, µεταξύ των παραδοσιακών (δια χειρός, γραφικής) και της αυτοµατοποιηµένης µεθόδου, η οποία προσφέρει σαφώς ανώτερη διακριτική ικανότητα, ταχύτητα και αξιοπιστία, πλησιάζοντας σε επιδόσεις και τεχνικά χαρακτηριστικά ανάλογες εµπορικές λύσεις. 1 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Η ακριβής και αξιόπιστη καταγραφή της απόκρισης των υλικών, των δοµικών στοιχείων και των φορέων γενικότερα, στο πλαίσιο µιας πειραµατικής έρευνας, αποτελεί βασική προϋπόθεση για την εξαγωγή ασφαλών συµπερασµάτων ως προς την µηχανική τους συµπεριφορά και τον ορθό υπολογισµό των απαιτούµενων µηχανικών ιδιοτήτων. Επίσης, η υψηλή αξιοπιστία των πειραµατικών µετρήσεων αποτελεί τη βάση για την επιτυχή βαθµονόµηση αντίστοιχων αναλυτικών προσοµοιωµάτων. Η ποιότητα των πειραµατικών αποτελεσµάτων εξαρτάται σε µεγάλο βαθµό από τη διαθέσιµη τεχνολογία εργαστηριακών διατάξεων φόρτισης και καταγραφής, η οποία όµως πολύ συχνά δεν συµβαδίζει µε τις σύγχρονες εξελίξεις, κυρίως λόγω του αυξηµένου κόστους αγοράς, συντήρησης και εκπαίδευσης εξειδικευµένου προσωπικού. Για τους λόγους αυτούς, στα Εργαστήρια Σκυροδέµατος απαντώνται συχνά πειραµατικές διατάξεις παλαιάς τεχνολογίας, οι οποίες λόγω του αναλογικού τους χαρακτήρα δεν προσφέρονται άµεσα για αυτοµατοποιηµένη καταγραφή των πειραµατικών αποτελεσµάτων. Για το λόγο αυτό, ο ερευνητής καταφεύγει συνήθως στη δια χειρός καταγραφή, συµβιβαζόµενος µε την ενίοτε περιορισµένη ακρίβεια και τη χαµηλή συχνότητα καταγραφής, η οποία ιδιαίτερα στις περιπτώσεις σύνθετων και ψαθυρών υλικών, όπως το οπλισµένο σκυρόδεµα, αποκρύπτει σηµαντικό τµήµα της απόκρισης κατά την ταχεία µετάβαση από την ελαστική στη ρηγµατωµένη κατάσταση. Στην εργασία αυτή παρουσιάζεται µια µέθοδος καταγραφής πειραµατικών αποτελεσµάτων που βασίζεται σε µια πρωτότυπη ηλεκτρονική συσκευή συνοδευόµενη από κατάλληλο λογισµικό, η οποία σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε από τους συγγραφείς στο Εργαστήριο Κατασκευών Οπλισµένου Σκυροδέµατος και Φέρουσας Τοιχοποιίας (ΕΚΟΣΦΤ) του Τµήµατος Πολιτικών Μηχανικών ΑΠΘ. Έχει την δυνατότητα να προσαρµόζεται µε ευκολία στο σύνολο σχεδόν των διαθέσιµων φορτιστικών διατάξεων αναλογικού τύπου, µέσω απλών βοηθητικών µηχανισµών και αισθητήρων µετακίνησης (LVDT). Η µέθοδος αυτή περιορίζει σε µεγάλο βαθµό τα µειονεκτήµατα

2 των προαναφερθέντων παραδοσιακών πρακτικών, προσφέροντας υψηλή διακριτική ικανότητα και συχνότητα καταγραφής, ελάχιστη ευαισθησία σε εγγενή και περιβαλλοντικό θόρυβο, καθώς και άµεση εποπτεία σε πραγµατικό χρόνο, κατά τη διάρκεια εκτέλεσης του πειράµατος, χωρίς καµία ανάγκη µεσολάβησης του ανθρώπινου παράγοντα. Βασικοί στόχοι ήταν αφενός ο περιορισµός του κόστους ανάπτυξης σε επίπεδα πολύ χαµηλότερα από αντίστοιχες εµπορικές λύσεις και αφετέρου η απλότητα και η φιλικότητα ως προς τον τελικό χρήστη-ερευνητή. Στις επόµενες ενότητες παρουσιάζεται µια συνοπτική περιγραφή των βασικών αρχών λειτουργίας της ηλεκτρονικής συσκευής, τα τεχνικά της χαρακτηριστικά και οι δυνατότητες διασύνδεσής της. Ακολουθεί µια σύντοµη παρουσίαση του συνοδευτικού λογισµικού και περιγράφεται η διαδικασία προσαρµογής της προτεινόµενης καταγραφικής µεθόδου στις υπάρχουσες πειραµατικές διατάξεις καθώς και οι δυνατότητες βαθµονόµησης των αισθητήρων µέτρησης. Τέλος, παρουσιάζεται µια σειρά συγκριτικών καταγραφών µεταξύ της αυτοµατοποιηµένης µεθόδου και των αντίστοιχων παραδοσιακών, µε βάση διαφορετικούς τύπους πειραµατικών δοκιµίων και φορτιστικών διατάξεων οι οποίες πραγµατοποιήθηκαν στα Εργαστήρια Σκυροδέµατος (ΕΚΟΣΦΤ) και Αντοχής Υλικών του Τµήµατος Πολιτικών Μηχανικών ΑΠΘ. Η συγκριτική έρευνα αναδεικνύει την υπεροχή της προτεινόµενης µεθόδου σε όλους τους τοµείς που συνιστούν µια επιστηµονικά ορθή καταγραφή πειραµατικών αποτελεσµάτων. 2 ΗΛΕΚΤΡΟΝΙΚΗ ΣΥΣΚΕΥΗ ΚΑΙ ΣΥΝΟ ΕΥΤΙΚΟ ΛΟΓΙΣΜΙΚΟ 2.1 Περιγραφή της ηλεκτρονικής συσκευής (Hardware) Η πρωτότυπη ηλεκτρονική συσκευή σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε µε σκοπό να αποτελέσει το µέσο διασύνδεσης ενός έως οκτώ αισθητήρων µετακίνησης (LVDT) µε ηλεκτρονικό υπολογιστή (Η/Υ), έτσι ώστε να είναι δυνατή η καταγραφή µετακινήσεων συναρτήσει του χρόνου. Στην Εικόνα 1 παρουσιάζεται το λειτουργικό διάγραµµα του συστήµατος αυτόµατης καταγραφής, η οποία αποτελείται από δυο βασικά λειτουργικά τµήµατα : Τη µονάδα µετατροπής αναλογικούψηφιακού σήµατος (ADC) και τη µονάδα αυτόµατης επιλογής του καναλιού καταγραφής. Επιλογή Καναλιού LVDT Aναλογικός Πολυπλέκτης MPC57/59 Μονάδα Αποµόνωσης- Ενίσχυσης Aναλογικός- Ψηφιακός Μετατροπέας Εντολή Μέτρησης Τροφοδοσία Μονάδα Τάσεων Αναφοράς Ρύθµιση ADS785 Μέτρηση Πολυπλέκτης Εικόνα 1. Το λειτουργικό διάγραµµα της ηλεκτρονικής συσκευής αυτόµατης καταγραφής

3 O πυρήνας της µονάδας µετατροπής αναλογικού-ψηφιακού σήµατος βασίζεται στον παράλληλο µετατροπέα ADS785 της Texas Instruments, µε διακριτική ικανότητα 16 bit δηλαδή 2 16 (65536) διαφορετικών σταθµών καταγραφής στο εύρος τάσεων εισόδου (-1 έως 1 V). H διακριτική του αυτή ικανότητα µεταφράζεται σε ακρίβεια καταγραφής µετακίνησης του LVDT της τάξεως των 1-5 m (1/1 mm), που θεωρείται ικανοποιητική για τα δεδοµένα των εργαστηριακών µετρήσεων. Η διαφορική γραµµικότητα (linearity) και το µηδενικό σφάλµα µετατόπισης (offset) του µετατροπέα ρυθµίζονται µέσω µιας βοηθητικής µονάδας παραγωγής τάσεων αναφοράς. Η συχνότητα καταγραφής φτάνει τα 1, πρωτογενή δείγµατα ανά δευτερόλεπτο, αριθµός ο οποίος µετά το διαχωρισµό του στα ανεξάρτητα κανάλια καταγραφής και τη στατιστική επεξεργασία µέσω λογισµικού για την εξάλειψη του εγγενούς ηλεκτρικού θορύβου, µπορεί να επιτύχει τελική συχνότητα καταγραφής µεγαλύτερη των 1 µετρήσεων ανά δευτερόλεπτο, η οποία θεωρείται υπεραρκετή για στατικές πειραµατικές φορτίσεις. Επιπλέον, µε κατάλληλες µετατροπές σε επίπεδο λογισµικού, είναι δυνατή η επέκταση των δυνατοτήτων της συσκευής και σε δυναµικές φορτίσεις. H µονάδα αυτόµατης επιλογής καναλιού καταγραφής βασίζεται στον αναλογικό πολυπλέκτη ΜPC57/59 (8 ή 4 κανάλια) της Texas Instruments, ο οποίος αναλαµβάνει να οδηγήσει την αναλογική τάση εξόδου από κάθε LVDT στον µετατροπέα. Στη διαδροµή αυτή παρεµβάλλεται ένα κύκλωµα ενίσχυσης-υποβιβασµού τάσης, το οποίο προσαρµόζει το εύρος τάσεων εξόδου των LVDT µε αυτό της εισόδου του µετατροπέα, µε αποτέλεσµα τη βελτιωµένη εκµετάλλευση της διακριτικής ικανότητας του τελευταίου και συνεπώς την αυξηµένη ακρίβεια καταγραφής. Η αµφίδροµη διασύνδεση της συσκευής µε τον Η/Υ γίνεται µέσω της παράλληλης θύρας (εκτυπωτή), η οποία προσφέρει ικανοποιητική ταχύτητα και προπαντός πλήρη συµβατότητα ακόµα και µε υπολογιστές παλαιότερης γενιάς. Πρέπει να σηµειωθεί ότι κατά την κατασκευή της συσκευής δόθηκε ιδιαίτερη προσοχή στον σχεδιασµό του τυπωµένου κυκλώµατος, έτσι ώστε να ελαχιστοποιηθούν οι επιρροές του περιβαλλοντικού θορύβου, που απαντάται συχνά σε εργαστηριακούς χώρους και επηρεάζει δυσµενώς την ποιότητα των καταγεγραµµένων σηµάτων. Τέλος, τονίζεται ότι το κόστος κατασκευής της ηλεκτρονικής συσκευής είναι εξαιρετικά χαµηλό, συγκρινόµενο µε το κόστος αγοράς οποιασδήποτε έτοιµης εµπορικής λύσης. 2.2 Περιγραφή του συνοδευτικού λογισµικού (Software) To πρωτότυπο λογισµικό που συνοδεύει τη συσκευή αυτόµατης καταγραφής, πέρα από το απαραίτητο πρωτόκολλο επικοινωνίας µεταξύ συσκευής και υπολογιστή, περιλαµβάνει, σε πλήρως γραφικό περιβάλλον, όλες τις απαραίτητες λειτουργίες αµφίδροµης επικοινωνίας του χρήστηερευνητή µε την εκάστοτε πειραµατική διάταξη (Εικόνα 2) : Βαθµονόµηση αισθητήρων µετακίνησης (LVDT) και φορτιστικών διατάξεων. Υπολογισµός συντελεστών µετατροπής ηλεκτρικής τάσης σε µετακίνηση ή δύναµη. Υπολογισµός συντελεστή γραµµικότητας (R 2 ) της απόκρισης των αισθητήρων. Καταχώρηση των παραπάνω στοιχείων σε βάση δεδοµένων. Καθορισµός αισθητήρα µετακίνησης ή φορτιστικής διάταξης ανά κανάλι καταγραφής από τη βάση δεδοµένων. Αυτόµατος µηδενισµός (null) ενδείξεων. Καθορισµός συχνότητας καταγραφής ανά 2., 1.,.5,.2 ή.1 sec µε δυνατότητα µεταβολής κατά τη διάρκεια εκτέλεσης του πειράµατος, καθώς και προσωρινής παύσης της καταγραφής. Σχεδίαση διαγράµµατος φορτίου-µετακινήσεων σε πραγµατικό χρόνο. Συνεχής αποθήκευση των αποτελεσµάτων σε ψηφιακό µέσο (π.χ. σκληρό δίσκο) για λόγους ασφαλείας. Εµφάνιση ρυθµού επιβολής της φόρτισης, µέγιστου και ελάχιστου επιβαλλόµενου φορτίου, επιβατικού µέτρου δυσκαµψίας και απορροφούµενης ενέργειας (εµβαδόν διαγράµµατος φορτίου-µετακίνησης) σε πραγµατικό χρόνο. Αποθήκευση αριθµητικών αποτελεσµάτων σε αρχείο λογιστικού φύλλου (Excel) για δυνατότητα άµεσης µετεπεξεργασίας.

4 Εικόνα 2. Το γραφικό περιβάλλον του συνοδευτικού λογισµικού Το συνοδευτικό λογισµικό αναπτύχθηκε σε γλώσσα προγραµµατισµού Borland Delphi και λειτουργεί σε περιβάλλον Windows 2/XP. Ο σχεδιασµός του έγινε µε γνώµονα την ευκολία χειρισµού και την άµεση εποπτεία της εκάστοτε πειραµατικής διαδικασίας. Το γεγονός ότι η απόκριση του εξεταζόµενου φορέα σχεδιάζεται σε πραγµατικό χρόνο κατά την εκτέλεση του πειράµατος δίνει τη δυνατότητα στον ερευνητή να παρακολουθεί συνεχώς την ορθή λειτουργία της πειραµατικής διάταξης και να προβαίνει άµεσα σε τυχόν διορθωτικές ενέργειες. Η πλήρης διάταξη του συστήµατος καταγραφής παρουσιάζεται στην Εικόνα 3. Εικόνα 3. Το σύστηµα αυτόµατης καταγραφής σε πλήρη διάταξη

5 3 ΒΑΘΜΟΝΟΜΗΣΗ ΚΑΙ ΠΡΟΣΑΡΜΟΓΗ ΣΤΙΣ ΥΠΑΡΧΟΥΣΕΣ ΦΟΡΤΙΣΤΙΚΕΣ ΙΑΤΑΞΕΙΣ 3.1 Βαθµονόµηση αισθητήρων µετακίνησης (LVDT) Οι αισθητήρες µετακίνησης (LVDT) αποτελούνται από ένα µεταλλικό κυλινδρικό σώµα, το οποίο τοποθετείται συνήθως σε ένα ακλόνητο σηµείο της πειραµατικής διάταξης και έναν κινητό πυρήνα, του οποίου η µια άκρη συνδέεται µε το σηµείο µέτρησης της µετακίνησης. Η σύνδεση αυτή µπορεί να γίνει µε αρκετούς τρόπους, οι συνηθέστεροι των οποίων είναι το ατενές νήµα και η απευθείας σύνδεση. Ο πυρήνας κινείται ελεύθερα µέσα στο σώµα του αισθητήρα και η στιγµιαία θέση του µεταφράζεται σε ηλεκτρική τάση εξόδου (-5 V). Είναι γνωστό ότι η µετακίνηση του πυρήνα και η τάση εξόδου συνδέονται µε µια απολύτως γραµµική σχέση, η οποία εκφράζεται από έναν συντελεστή µετατροπής σε µονάδες mm/v. Η γραµµικότητα της απόκρισης είναι πιστοποιηµένη εργαστηριακά κατά την αγορά του αισθητήρα, όπου αναφέρεται και ο αντίστοιχος συντελεστής µετατροπής. Έχει παρατηρηθεί όµως ότι, µε τη πάροδο του χρόνου, οι παραπάνω εργοστασιακές τιµές αποκλίνουν από τη πραγµατικότητα, πράγµα που οφείλεται κυρίως στη φυσική φθορά. Για το λόγο αυτό έγινε νέα βαθµονόµηση των διαθέσιµων αισθητήρων µετακίνησης µε τη βοήθεια της ηλεκτρονικής συσκευής και της ανάλογης δυνατότητας του λογισµικού. Στην Εικόνα 4 φαίνεται η διαδικασία βαθµονόµησης. Η άκρη του αισθητήρα συνδέθηκε µέσω ατενούς νήµατος σε υψοµετρικό χαράκτη και καταγράφηκαν οι τάσεις εξόδου του αισθητήρα για συγκεκριµένες τιµές µετακίνησης, οι οποίες δόθηκαν χειροκίνητα µε πολύ µεγάλη ακρίβεια (<.1 mm). Με βάση τα καταγεγραµµένα ζεύγη τιµών µετακίνησης-ηλεκτρικής τάσης έγινε γραµµική παλινδρόµηση µέσω του λογισµικού και υπολογίστηκαν οι συντελεστές µετατροπής και γραµµικότητας (R2). Ο τελευταίος, στο σύνολο των περιπτώσεων, προέκυψε άνω του 99 %. Τα χαρακτηριστικά κάθε αισθητήρα καταχωρήθηκαν στη βάση δεδοµένων του λογισµικού, ώστε να είναι δυνατή η άµεση επανάκτησή τους πριν τη διεξαγωγή κάθε πειράµατος. Εικόνα 4. Βαθµονόµηση αισθητήρα µετακίνησης Εικόνα 5. Βαθµονόµηση φορτιστικής διάταξης

6 3.2 Προσαρµογή στις φορτιστικές διατάξεις και βαθµονόµησή τους Οι φορτιστικές διατάξεις στις οποίες προσαρµόστηκε το σύστηµα αυτόµατης καταγραφής είναι στην πλειονότητά τους υδραυλικές πρέσες της γερµανικής εταιρίας Mohr & Federhaff κατασκευασµένες την δεκαετία του 6 (Εργαστήριο Αντοχής Υλικών). Οι πρέσες αυτές καλύπτουν τις ανάγκες πειραµατικής έρευνας δοκιµίων διαφόρων κατηγοριών, από απλές ράβδους οπλισµού µέχρι σύνθετους φορείς οπλισµένου σκυροδέµατος, ασκώντας εφελκυσµό ή θλίψη µε µεγέθη που φτάνουν µέχρι και τα 6 ΚΝ. Παρά τα πλεονεκτήµατά τους όσον αφορά την ισχύ και την αντοχή τους στο χρόνο, η άµεση δυνατότητα καταγραφής των φορτιστικών µεγεθών περιορίζεται στην οπτική ανάγνωση του αναλογικού δείκτη (ωρολογιακού τύπου) και στη γραφική καταγραφή µέσω ειδικής διάταξης, όπου προσαρµόζεται γραφίδα και χιλιοστοµετρικό χαρτί. Η αδυναµία αυτόµατης καταγραφής µπορεί να καλυφθεί είτε µε την παρεµβολή ενός αισθητήρα δύναµης (load cell) µεταξύ δοκιµίου και πρέσας, είτε µε µια πρόσθετη µηχανική διάταξη που κατασκευάστηκε ώστε να είναι συµβατή µε την προτεινόµενη µέθοδο αυτόµατης καταγραφής, η οποία χρησιµοποιεί αισθητήρες µετακίνησης. Η µηχανική αυτή διάταξη (Εικόνα 5) συνδέει µέσω ατενούς νήµατος έναν αισθητήρα µετακίνησης στο οριζόντια κινούµενο στέλεχος της φορτιστικής διάταξης που προορίζεται για την τοποθέτηση της γραφίδας. Το κινητό αυτό στέλεχος αποτελεί µηχανική προέκταση του αναλογικού δείκτη και η θέση του αντιστοιχεί στο εκάστοτε επιβαλλόµενο φορτίο. Μέσω µιας διαδικασίας παρόµοιας µε αυτή της βαθµονόµησης των αισθητήρων µετακίνησης, καταγράφηκαν µέσω λογισµικού ζεύγη της ένδειξης του αναλογικού δείκτη της πρέσας (φορτίου) και της ηλεκτρικής τάσης στην έξοδο του αισθητήρα και υπολογίστηκε ένας παρόµοιος συντελεστής µετατροπής που εκφράζεται πλέον σε µονάδες ΚΝ/V. Ταυτόχρονα επαληθεύτηκε η γραµµική σχέση της θέσης του αναλογικού δείκτη και της οριζόντιας µετακίνησης του στελέχους, η οποία προέκυψε άνω του 99 %. Με το τρόπο αυτό κατέστη δυνατή η αυτόµατη καταγραφή του φορτίου της πρέσας, γεγονός το οποίο, σε συνδυασµό µε τις ταυτόχρονες µετρήσεις των αισθητήρων µετακίνησης στα υπόλοιπα κανάλια καταγραφής, επιτρέπει την απεικόνιση του διαγράµµατος φορτίου-µετακίνησης σε πραγµατικό χρόνο κατά τη διάρκεια εκτέλεσης του πειράµατος (εφαρµογές παρ ). Τέλος, το σύστηµα αυτόµατης καταγραφής προσαρµόστηκε και στη διάταξη ανακυκλιζόµενης φόρτισης του ΕΚΟΣΦΤ (Στυλιανίδης Κ. και Συνεργάτες 1994) και κατέγραψε µε ακρίβεια τις τιµές του επιβαλλόµενου φορτίου του υδραυλικού εµβόλου διπλής ενέργειας. Η διασύνδεση έγινε µέσω της αναλογικής ηλεκτρικής εξόδου που αντιστοιχεί στον αισθητήρα δύναµης του υδραυλικού εµβόλου και κατάλληλων ρυθµίσεων στο λογισµικό της µονάδας ελέγχου, το οποίο λόγω παλαιότερης τεχνολογίας παρέχει περιορισµένες δυνατότητες εποπτείας της πειραµατικής διαδικασίας σε πραγµατικό χρόνο (εφαρµογή παρ. 4.4). 4 ΚΑΤΑΓΡΑΦΗ ΠΕΙΡΑΜΑΤΙΚΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Η αξιολόγηση και ο έλεγχος αξιοπιστίας του συστήµατος αυτόµατης καταγραφής έγινε µε βάση τα αποτελέσµατα µιας σειράς πειραµάτων που πραγµατοποιήθηκαν στα Εργαστήρια Σκυροδέµατος (ΕΚΟΣΦΤ) και Αντοχής Υλικών του Τµήµατος Πολιτικών Μηχανικών ΑΠΘ. Στα περισσότερα πειράµατα εφαρµόστηκε και η αντίστοιχη παραδοσιακή (δια χειρός ή γραφική) µέθοδος καταγραφής, µε στόχο τη συγκριτική αξιολόγηση των δύο µεθόδων. Τα πειράµατα διέφεραν µεταξύ τους ως προς το εξεταζόµενο δοκίµιο, τη διάταξη και το τύπο φόρτισης, έχοντας όµως κοινό ζητούµενο την αποτίµηση της µηχανικής συµπεριφοράς των δοκιµίων µέσω διαγραµµάτων φορτίου-µετακίνησης (P-δ). Οι καταγραφές που προέκυψαν από την εφαρµογή της προτεινόµενης µεθόδου επιβεβαίωσαν τις θεωρητικές δυνατότητες του συστήµατος αυτόµατης καταγραφής. Στις επόµενες παραγράφους, περιγράφονται εν συντοµία τέσσερα από τα πειράµατα αυτά.

7 4.1 Πείραµα 1 οκιµή εφελκυσµού ράβδου οπλισµού χάλυβα S5s Πρόκειται για το κλασικό πείραµα εφελκυσµού, βάσει του οποίου προσδιορίζεται το µέτρο ελαστικότητας, η τάση διαρροής και η τάση θραύσης µιας ράβδου χάλυβα οπλισµού. Το δοκίµιο τοποθετήθηκε σε κατάλληλη υδραυλική πρέσα και η καταγραφή του διαγράµµατος φορτίουµετακίνησης έγινε τόσο µε τη γραφική (βλ. παρ. 3.2) όσο και µε την αυτοµατοποιηµένη µέθοδο. Το αυτόµατο σύστηµα κατέγραψε τα πειραµατικά αποτελέσµατα σε δύο ξεχωριστά κανάλια. Το πρώτο κατέγραψε τη δύναµη εφελκυσµού και το δεύτερο τη σχετική µετακίνηση των άκρων της ράβδου µέσω LVDT (Εικόνα 6). Η συχνότητα καταγραφής ρυθµίστηκε στα.1 sec (1 καταγραφές / sec) και συνολικά καταγράφηκαν 18 ζεύγη τιµών Ρ δ. Τα αποτελέσµατα που προέκυψαν µε τις δύο µεθόδους καταγραφής παρουσιάζονται στις Εικόνες 7 και 8. 1 ιάµετρος Ø8 Py = 28 KN Pu = 34 KN 2 Εικόνα 6. Πειραµατική διάταξη εφελκυσµού ράβδου οπλισµού Εικόνα 7. Γραφική µέθοδος καταγραφής Στην λεπτοµέρεια της Εικόνας 8 φαίνεται η ταχύτητα απόκρισης και η διακριτική ικανότητα της αυτόµατης µεθόδου καταγραφής, η οποία έφτασε τα.15 ΚΝ και τα.5 mm για φορτίο και µετακίνηση αντίστοιχα. Η σύγκριση µε την αντίστοιχη γραφική µέθοδο, η οποία λόγω του αναλογικού της χαρακτήρα παρέχει θεωρητικά άπειρη ακρίβεια, χωρίς όµως άµεση δυνατότητα µετεπεξεργασίας σε Η/Υ, αναδεικνύει την αξιοπιστία και τη χρηστικότητα της αυτοµατοποιηµένης µεθόδου και την καθιστά άµεσα εφαρµόσιµη σε ακόµα συνθετότερες πειραµατικές διατάξεις P (KN) P (KN) ιάµετρος Ø8 Py = 28.3 KN Pu = 34.2 KN 1 27 δ (mm) δ (mm) Εικόνα 8. Μέθοδος αυτόµατης καταγραφής Λεπτοµέρεια στο σηµείο διαρροής του οπλισµού 14 15

8 4.2 Πείραµα 2 Προσδιορισµός της διατµητικής αντοχής δοκού από Ο/Σ Στο δεύτερο πείραµα εξετάστηκε µια αµφιέρειστη δοκός οπλισµένου σκυροδέµατος, η οποία έφερε ένα συγκεντρωµένο θλιπτικό φορτίο στο µέσο του ανοίγµατος, ασκούµενο µέσω υδραυλικής πρέσας, µε στόχο τον προσδιορισµό της αντοχής της σε διάτµηση (Εικόνα 9). Τα µεγέθη προς καταγραφή ήταν το επιβαλλόµενο φορτίο και η βύθιση του µέσου του ανοίγµατος. Η καταγραφή έγινε ταυτόχρονα τόσο δια χειρός όσο και µε την αυτοµατοποιηµένη µέθοδο. Για την εφαρµογή της δια χειρός µεθόδου, η αύξηση του φορτίου µέχρι την αστοχία έγινε σε φορτιστικά βήµατα των 1 ΚΝ. Στο τέλος κάθε βήµατος ακολουθούσε σύντοµη παύση, κατά τη διάρκεια της οποίας καταγράφονταν οι τιµές φορτίου και βύθισης µε τη βοήθεια ενός αναλογικού βελόµετρου ακριβείας.1 mm, το οποίο είχε προσαρµοστεί κατάλληλα στο µέσον του ανοίγµατος. Ταυτόχρονα σηµειώνονταν πάνω στο δοκίµιο η εξέλιξη της ρηγµάτωσης. Συνολικά καταγράφηκαν 28 ζεύγη τιµών P-δ. Το αυτόµατο σύστηµα κατέγραψε τα πειραµατικά αποτελέσµατα σε δύο ξεχωριστά κανάλια. Το πρώτο κατέγραψε το επιβαλλόµενο θλιπτικό φορτίο και το δεύτερο τη βύθιση στο µέσον της δοκού µέσω LVDT. Η συχνότητα καταγραφής ρυθµίστηκε στα.2 sec (5 καταγραφές / sec) και συνολικά καταγράφηκαν 27 ζεύγη τιµών Ρ-δ. Το συγκριτικό διάγραµµα της Εικόνας 1 επαληθεύει την ποιότητα της αυτοµατοποιηµένης µεθόδου, η οποία λόγω της υψηλής ταχύτητας καταγραφής αποτύπωσε την απόκριση του φορέα και πέρα από το σηµείο επίτευξης της µέγιστης αντοχής. Βελόµετρο Εικόνα 9. Πειραµατική διάταξη αµφιέρειστης δοκού 3 P (KN) ' ια χειρός' καταγραφή Αυτόµατη καταγραφή 5 δ (mm) Εικόνα 1. Συγκριτικό διάγραµµα φορτίου βύθισης του µέσου της αµφιέρειστης δοκού

9 4.3 Πείραµα 3 ιερεύνηση της φέρουσας ικανότητας πλάκας κεφαλόδεσµου πασσάλων Στο τρίτο πείραµα εξετάστηκε η µηχανική συµπεριφορά µιας πλάκας κεφαλόδεσµου πασσάλων υπό κεντρικό κατακόρυφο φορτίο (Αναγνώστης Σ.Κ. και Συνεργάτες 23), το οποίο ασκείται µέσω υδραυλικής πρέσας µεγάλης ισχύος. Τη βύθιση δ1 του µέσου της κάτω επιφάνειας του κεφαλόδεσµου κατέγραφαν ταυτόχρονα δύο LVDT. Το ένα από αυτά συνδέθηκε σε ψηφιακό πολύµετρο για τη δια χειρός καταγραφή της τάσης εξόδου του (η οποία πολλαπλασιαζόµενη µε τον αντίστοιχο συντελεστή µετατροπής δίνει τη µετακίνηση του αισθητήρα) και το άλλο συνδέθηκε στο σύστηµα αυτόµατης καταγραφής. ύο ακόµη LVDT προσαρµόστηκαν στην κάτω επιφάνεια του δοκιµίου και συνδέθηκαν στο σύστηµα αυτόµατης καταγραφής. Το ένα κατέγραφε τη βύθιση δ2 του µέσου µεταξύ δύο πασσάλων και το άλλο τη βύθιση δ3 στην παρειά του πασσάλου. Η διάταξη φόρτισης του πειράµατος φαίνεται στην Εικόνα 11. Εικόνα 11. Πειραµατική διάταξη κεφαλόδεσµου πασσάλων Για την εφαρµογή της δια χειρός µεθόδου, η αύξηση του φορτίου µέχρι την αστοχία έγινε σε φορτιστικά βήµατα των 1 ΚΝ. Στο τέλος κάθε βήµατος το φορτίο παρέµενε σταθερό για να καταγραφούν η ένδειξη του πολύµετρου και οι µετρήσεις των ταινιών παραµόρφωσης που είχαν τοποθετηθεί στους οπλισµούς. Συνολικά καταγράφηκαν 27 ζεύγη τιµών Ρ δ1. Το αυτόµατο σύστηµα κατέγραφε ταυτόχρονα τις µετρήσεις σε τέσσερα ξεχωριστά κανάλια. Το πρώτο κανάλι κατέγραφε το επιβαλλόµενο φορτίο και τα υπόλοιπα τις βυθίσεις (δ1, δ2, δ3) των τριών σηµείων που αναφέρθηκαν παραπάνω. Η συχνότητα καταγραφής τέθηκε από.5 sec έως.1 sec, λίγο πριν την αστοχία. Συνολικά καταγράφηκαν 725 µετρήσεις ανά κανάλι και τα συγκριτικά αποτελέσµατα παρουσιάζονται στην Εικόνα 12. Όπως και στο προηγούµενο πείραµα, παρατηρείται πολύ ικανοποιητική σύµπτωση των δύο καταγραφικών µεθόδων, µε τη διαφορά ότι η αυτοµατοποιηµένη παρέχει πολύ µεγαλύτερη ακρίβεια και ταχύτητα καταγραφής, χωρίς καµία µεσολάβηση του ανθρώπινου παράγοντα κατά τη διάρκεια εκτέλεσης του πειράµατος. Επιπλέον, η πρακτικά ταυτόχρονη καταγραφή της τιµής του φορτίου και των αντίστοιχων µετακινήσεων της αυτοµατοποιηµένης µεθόδου σαφώς υπερτερεί σε σχέση µε τον σηµαντικό χρόνο που µεσολαβεί µεταξύ της οπτικής ανάγνωσης του φορτίου και τη δια χειρός καταγραφή των ενδείξεων των αισθητήρων, γεγονός που µερικώς αλλοιώνει την ποιότητα των πειραµατικών αποτελεσµάτων.

10 2 P (KN) ' ια χειρός' 1 δ1 75 δ2 5 δ3 25 δ (mm) Εικόνα 12. Συγκριτικό διάγραµµα φορτίου µετακινήσεων της πλάκας κεφαλόδεσµου 4.4 Πείραµα 4 Κοντό τοίχωµα υπό ανακυκλιζόµενη φόρτιση Στο τέταρτο πείραµα εξετάστηκε η συµπεριφορά ενός κοντού τοιχώµατος υπό ανακυκλιζόµενη φόρτιση. Η διαφορά µε τα προηγούµενα πειράµατα ήταν ότι στη προκειµένη περίπτωση χρησιµοποιήθηκε η σύγχρονη διάταξη ανακυκλιζόµενης φόρτισης του ΕΚΟΣΦΤ, η οποία αποτελείται από µεταλλικό πλαίσιο αντίδρασης, υδραυλικά έµβολα διπλής ενέργειας και κεντρική µονάδα που ελέγχεται από Η/Υ (Στυλιανίδης Κ. και Συνεργάτες 1994). Η διάταξη αυτή παρέχει ήδη όλες τις απαραίτητες λειτουργίες αυτόµατης καταγραφής σε µαγνητικά µέσα αποθήκευσης. Ωστόσο, η εφαρµογή της προτεινόµενης µεθόδου έγινε µε γνώµονα να αναδείξει τα πλεονεκτήµατα της ευχρηστίας και της εποπτείας, στα οποία η παραπάνω διάταξη υστερεί λόγω λογισµικού περασµένης γενιάς. Στην Εικόνα 13 φαίνεται η πειραµατική διάταξη και η διασύνδεση του συστήµατος αυτόµατης καταγραφής µε την κεντρική µονάδα ελέγχου. Εικόνα 13. Πειραµατική διάταξη κοντού τοιχώµατος υπό ανακυκλιζόµενη φόρτιση

11 Για την καταγραφή της απόκρισης του φορέα χρησιµοποιήθηκαν 4 ανεξάρτητα κανάλια καταγραφής. Το πρώτο συνδέθηκε µε την αναλογική ηλεκτρική έξοδο της κεντρικής µονάδας ελέγχου, που αντιστοιχεί στον αισθητήρα δύναµης του υδραυλικού εµβόλου. Για να επιτευχθεί η ηλεκτρική συµβατότητα µεταξύ της παραπάνω εξόδου και της εισόδου της ηλεκτρονικής συσκευής έγιναν οι απαραίτητες ρυθµίσεις στο λογισµικό της κεντρικής µονάδας ελέγχου και επιτεύχθηκε πλήρης ταύτιση των ενδείξεων φορτίου µεταξύ των δύο Η/Υ (Εικόνα 13). Στα υπόλοιπα κανάλια συνδέθηκαν τρεις αισθητήρες µετακίνησης (LVDT) για καταγραφή των µετακινήσεων της κεφαλής, του µέσου και του πόδα του τοιχώµατος. Το δοκίµιο υποβλήθηκε σε ανακυκλιζόµενη φόρτιση και καταγράφηκαν συνολικά 14,5 µετρήσεις ανά κανάλι καταγραφής. Στην Εικόνα 14 φαίνεται ενδεικτικά η καµπύλη φορτίου µετακίνησης της κεφαλής του τοιχώµατος. Σηµειώνεται ότι σε κάθε περίπτωση, τα διαγράµµατα φορτίου-µετακίνησης σχεδιάζονται σε πραγµατικό χρόνο στην οθόνη του Η/Υ, κατά τη διάρκεια εκτέλεσης του πειράµατος, δίνοντας στον ερευνητή τη δυνατότητα να παρακολουθεί αδιάλειπτα την απόκριση του εξεταζόµενου φορέα, να εντοπίζει πιθανά προβλήµατα λειτουργίας της πειραµατικής διάταξης και να προβαίνει άµεσα η µελλοντικά σε διορθωτικές ή βελτιωτικές ενέργειες αντίστοιχα P (KN) 1 5 δ (mm) Εικόνα 14. ιάγραµµα φορτίου µετακίνησης της κεφαλής του τοιχώµατος 5 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ Στην εργασία αυτή παρουσιάστηκε µία ολοκληρωµένη µέθοδος αυτόµατης καταγραφής πειραµατικών αποτελεσµάτων, βασισµένη σε µια πρωτότυπη ηλεκτρονική συσκευή που συνδέεται µε Η/Υ και συνοδεύεται από κατάλληλο λογισµικό σε γραφικό περιβάλλον. Η µέθοδος αυτή εφαρµόστηκε σε µια σειρά πειραµατικών διατάξεων κλιµακούµενης πολυπλοκότητας, ώστε να αξιολογηθεί η χρηστικότητα και η αξιοπιστία της σε πραγµατικές συνθήκες εργαστηριακής έρευνας. Η καταγραφή των πειραµατικών αποτελεσµάτων µε την αυτοµατοποιηµένη µέθοδο ανέδειξε τις βελτιωµένες δυνατότητές της, ως προς τις παραδοσιακές µεθόδους καταγραφής, στους καθοριστικούς τοµείς της ακρίβειας, ταχύτητας και εποπτείας. Συγκεκριµένα, κατέστη δυνατή η άµεση και λεπτοµερής σχεδίαση των διαγραµµάτων απόκρισης σε πραγµατικό χρόνο, ο ακριβής προσδιορισµός των οριακών µεγεθών απόκρισης, η καταγραφή απότοµων ψαθυρών αστοχιών ή κατερχόµενων φορτιστικών κλάδων και η άµεση δυνατότητα µετεπεξεργασίας των ψηφιακά καταγεγραµµένων αποτελεσµάτων.

12 Οι παραπάνω δυνατότητες προσεγγίζουν τις αντίστοιχες των εµπορικών συστηµάτων αυτόµατης καταγραφής και θεωρείται ότι αποτελούν µια ουσιαστική αναβάθµιση της πλειοψηφίας των υφιστάµενων διατάξεων φόρτισης των Εργαστηρίων Σκυροδέµατος (ΕΚΟΣΦΤ) και Αντοχής Υλικών. Εξετάζεται, τέλος, η επέκταση των δυνατοτήτων της προτεινόµενης καταγραφικής µεθόδου για ακόµη µεγαλύτερο αριθµό αισθητήρων µετακίνησης και ταυτόχρονης καταγραφής των επιθυµητών στοιχείων παραµόρφωσης µέσω strain gages. Η εργασία αυτή υποβάλλεται µε την ελπίδα ότι θα αποβεί ενδιαφέρουσα για εκείνους τους ερευνητές που θηρεύουν την τελειότητα στην πειραµατική τους έρευνα. 6 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Οι συγγραφείς ευχαριστούν τον Ζάραρη Ιωάννη, Πολιτικό Μηχανικό και Υποψήφιο ιδάκτορα του Τµήµατος Πολιτικών Μηχανικών του ΑΠΘ, για την ευγενική παραχώρηση του υλικού του πειράµατος 4. 7 ΑΝΑΦΟΡΕΣ Αναγνώστης, Σ.Κ., Τέγος, Ι.Α. και Παπανικολάου, Κ.Β., 23. Πειραµατική και Αναλυτική Μελέτη Πλακών Κεφαλόδεσµων Πασσάλων υπό Κεντρική Φόρτιση, 14 ο Ελληνικό Συνέδριο Σκυροδέµατος, Κως, Οκτώβριος 23, Τόµος Α, σελ Στυλιανίδης, Κ., Παπανικολάου, Κ., Ιγνατάκης, Χ. και Σαλονικιός, Θ., Νέο Σύστηµα Ανακυκλιζόµενης Φόρτισης του Εργαστηρίου Σιδηροπαγούς Σκυροδέµατος ΑΠΘ. υνατότητες και Πρώτες Εφαρµογές, 11 ο Ελληνικό Συνέδριο Σκυροδέµατος, Κέρκυρα, Μάιος 1994, Τόµος Ι, σελ Texas Instruments Inc., 25. ADS bit 1µs Sampling CMOS Analog-to-Digital Converter (Rev.B), Data Sheet (ads7855.pdf), Texas Instruments Inc., 23. MPC57/59 8/4-Channel Differential-Input Analog Multiplexer, Data Sheet (mpc57.pdf, mpc59.pdf),