датчик измерения перемещений при жизнедеятельности трещины

Формула изобретения

Датчик измерения перемещений в процессе жизнедеятельности трещины на поверхности элементов строительных конструкций, состоящий из основной пластины и вставляемого в нее ползунка, с нанесенными на них шкалами с ценой деления 1,0 на пластине и 0,9 или 1,9 мм на ползунке, наклеиваемых на разделенные трещиной части исследуемой поверхности с помощью двухстороннего вспененного скотча так, чтобы оси поперечных прорезей пластины и ползунка совпадали и были перпендикулярны к трассе трещины, отличающийся тем, что прорези выполнены максимально возможной длины и обеспечивают свободу движения ползунка в пластине в прямолинейном состоянии без зажима в двух направлениях и фиксацию вращения и смещения одной части конструкции относительно другой как вдоль, так и поперек трещины, для чего датчик снабжен дополнительными шкалами с образованием двух пар вертикальных и горизонтальных шкал, обеспечивающих снятие двух отсчетов по каждому направлению.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области диагностирования строительных конструкций и их элементов, имеющих дефекты в виде трещин, в процессе эксплуатации и может быть использовано для неразрушающего наблюдения за деформациями строительных конструкций и их элементов с целью определения кинетики жизнедеятельности трещин путем многократных измерений их раскрытия через определенные интервалы времени (от одних до 30 суток) в зависимости от скорости развития деформации, чтобы установить характер деформаций конструкций и степень их опасности для дальнейшей эксплуатации объекта.

Для мониторинга развития деформаций на зданиях и сооружениях в отечественной практике наиболее часто применяется гипсовый маяк.

Известны также трещиномеры в виде прозрачной пластины Elcometer 143 Rissbreitenlineal (www.elcometer.com) или непрозрачная пластина Fissurométre (www.jauges-saugnac.fr) с нанесенными на них линиями различной ширины - шаблонами. Сравнивая расстояние между берегами трещины с наложенным на нее соответствующим шаблоном, можно быстро и с достаточной точностью определить ее ширину.

Недостатками пластин при мониторинге являются необходимость доступа к трещине, непостоянное положение пластины над трещиной и зависимость точности измерения от индивидуального визуального восприятия.

Также известен индикатор часового типа (RU 2187069 (С2) от 10.08.2002, G01B 3/22, G01B 3/22; RU 2060450 (С1) от 20.05.1996, G01B 3/22), имеющий корпус с соосными опорами скольжения, в которых размещен измерительный стержень с зубчатой рейкой и наконечником, зубчатый механизм, включающий первый и центральный трибы. Индикатор позволяет фиксировать перемещения с точностью 0,01 мм.

Недостатком индикатора является необходимость внедрения в тело конструкции для установки самого индикатора и упора для штока, необходимость защищать прибор от неблагоприятных погодных условий, малый диапазон измерения (±5 мм), а также возможность измерения линейной деформации только в одном направлении.

Известен также датчик G2 фирмы «LES JAUGES SAUGNAC^®» («Устройство для измерения и регистрации жизнедеятельности трещины или другой деформации», FR 2487503 (А2) от 29.01.1982, G01B 5/14; G01B 5/30; G01 B5/14; G01B 5/30), состоящий из пластиковых основной пластины, шарнирно закрепленного на ней рычажного механизма, приводимого в движение ползунком с зубчатой рейкой, вставленным в направляющие, также шарнирно закрепленные на основной пластине. Короткий конец рычага связан с ползунком подвижным шарниром. На пластине и ползунке нанесены шкалы с ценой деления 1,0 (на ползунке) и 0,9 (на пластине) мм, и, кроме того, на пластине под предполагаемой траекторией перемещения длинного конца рычага нанесена шкала для прочтения и графического отображения с помощью пишущей головки, вмонтированной в конец рычага, десятикратно увеличенного перемещения ползунка. Для обеспечения возможности прочтения отсчета на круговой шкале рычаг выполнен из прозрачного пластика. Основная пластина датчика и площадка с осью для шарнирной фиксации свободного конца ползунка наклеиваются на исследуемую поверхность с помощью двухстороннего вспененного скотча. Датчик предназначен для установки на труднодоступные и удаленные участки.

Недостатком датчика является открытость механизма, вызывающая необходимость защищать датчик от оседания пыли, что, в свою очередь, затрудняет прочтение отсчетов. Кроме того, требуемая точность изготовления датчика не вполне соответствует применяемым материалам, определяющим его долговечность.

Известен также датчик G3dim фирмы «LES JAUGES SAUGNAC^® » («Индикатор взаимного объемного перемещения двух точек на исследуемых поверхностях, разделенных трещиной (трещинами)», FR 2784178 (А1) от 07.04.2000, G01B 5/14; G01B 5/30). На части исследуемой поверхности, разделенные трещиной, устанавливаются вращающиеся опорные стойки, на одной из которых шарнирно закреплен шток с миллиметровой шкалой, пропущенный свободным концом в направляющем гнезде второй стойки, на котором нанесена шкала верньера с ценой деления 0,1 мм. Стойка опирания штока состоит из двух деталей, обеспечивающих его свободный поворот, а стойка с гнездом для скольжения штока не только обеспечивает его свободный поворот, но и одновременно выполняет функции двух лимбов и алидад, по которым определяют углы горизонтального и вертикального поворота штока от первоначального положения. Конструкция датчика позволяет устанавливать стойки на поверхностях, расположенных в практически любом взаимном положении. Крепление стоек предусмотрено механическое - с помощью дюбелей и саморезов. К недостаткам датчика G3dim можно отнести необходимость внедрения в тело конструкции для установки стоек, необходимость пересчета измеренных углов поворота в линейные перемещения, а также высокую стоимость прибора.

Известны также механические щелемеры и съемные деформометры (www.gpiko.ru), например индикатор измерения трещины (JP 11063908 (А) от 05.03.1999, G01B 3/20; G01B 5/14), позволяющие измерять перемещения между двумя опорными штырями, расположенными с разных сторон шва, стыка или трещины. Деформометры имеют прецизионную направляющую с регулируемой длиной базы. Перемещения между двумя анкерами определяются либо с помощью шкал, нанесенных на элементах прибора, либо с помощью механического циферблатного индикатора.

Недостатками щелемеров являются необходимость внедрения в тело конструкции для установки опорных штырей и высокая стоимость приборов (для переносных щелемеров, кроме того, отсутствие возможности сразу же на месте определять развитие деформации).

Известен индикатор раскрытия трещин (wska nic rozwacia rys) модели WR05 польской фирмы Neo Strain (www.NeoStrain.pl; на основе FR 2438135 (А1) от 30.04.1980, E04G 23/02; G01B 5/14; G01B 5/30, либо GB 1598785 (А) от 23.09.1981, G01B 5/14; G01B 5/30), позволяющий производить мониторинг изменения раскрытия трещин в двух направлениях. Использование геометрических зависимостей делает возможным также определение угла поворота разделенных трещиной частей конструкции. Индикатор состоит из двух накладываемых одна на другую пластин, которые на винтах фиксируются к опорным пластинам, закрепляемым, в свою очередь, на исследуемой поверхности (стене) при помощи 4 дюбелей и саморезов. Все элементы индикатора выполнены из нержавеющей стали, что делает индикатор устойчивым к влиянию внешней среды и дает возможность применения датчиков как внутри, так и снаружи объекта. Цена деления шкал индикатора составляет 0,05 мм, а диапазон измерения находится в пределах от -15 до +40 мм.

Недостатками индикаторов WR05 являются необходимость внедрения в тело конструкции для установки опорных пластин, труднообеспечиваемое наложение (соприкосновение) пластин, определяющее понижение точности прочтения отсчета, невысокая контрастность шкал и усложненная геометрическая зависимость определения взаимного поворота частей конструкции, что связано с наличием только трех шкал.

Известен также французский датчик G6 фирмы «LES JAUGES SAUGNAC^®» (FR 2665528 (А1) от 07.02.1992, G01B 5/14; G01B 5/30), состоящий из пластиковых основной пластины, закрепленного на ней и вращающегося лимба с прямоугольными отверстиями, в которые и вставляется ползунок. На них нанесены шкалы: градусной градуировки на пластине и лимбе и миллиметровой с ценой деления 1,0 на лимбе между отверстиями и 0,9 мм на ползунке. Пластина и ползунок наклеиваются на разделенные трещиной части исследуемой поверхности с помощью двухстороннего вспененного скотча, пластина - жестко, а ползунок - через шарнир. При этом ползунок располагается максимально перпендикулярно трассе трещины. Раскрытие трещины определяется прямым снятием миллиметровых отсчетов на лимбе, а сдвиг берегов трещин определяется через геометрическую зависимость базы ползунка (расстояние от шарнира крепления до «0» на шкале лимба) и отсчета, снятого по градусным шкалам на лимбе и пластине.

К недостаткам датчика G6 относится необходимость пересчета измеренных углов поворота в линейные перемещения сдвига берегов трещины, необходимость защищать датчик от оседания пыли, что, в свою очередь, затрудняет прочтение отсчетов. Кроме того, требуемая точность изготовления датчика увеличивает его стоимость.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению техническим решением является датчик G1 «Настенное устройство измерения развития трещины для использования в здании» французской фирмы «LES JAUGES SAUGNAC^®» (FR 2884911 (А1) от 27.10.2006, G01B 5/14; E04G 23/00; G01B 5/30) и аналогичные ему датчики G1.3; G1.5; G100 (FR 2274021 (А1) от 02.01.1976, G01B 5/14; G01B 5/30), отличающиеся цветом, составом материала изготовления и длиной базы измерения. Датчик состоит из пластиковых основной пластины с прямоугольными отверстиями и вставляемого в них ползунка с нанесенной на них шкалой с ценой деления 1,0 (на пластине) и 0,9 мм (на ползунке) и наклеиваемых на разделенные трещиной части исследуемой поверхности с помощью двухстороннего вспененного скотча, при этом датчик располагается максимально перпендикулярно трассе трещины. Недостатком датчика является возможность измерения линейной деформации только в одном направлении (раскрытие или закрытие трещины), при наличии деформаций в направлении поперек оси датчика (сдвиг берегов трещины) появляется возможность коробления ползунка (датчика), его заклинивания в пластине и возникновения сдвиговых деформаций скотча или его отслоения от исследуемой поверхности, что влияет на точность снимаемых отсчетов. Для выявления полной плоскостной картины деформации на трещину необходимо устанавливать по 2 датчика, при этом установить датчик вдоль трассы трещины возможно только с отклонением.

Целью изобретения является создание простого в использовании и недорогого датчика измерения перемещений при жизнедеятельности трещин, способного полностью заменить наиболее распространенный в отечественной практике гипсовый маяк и имеющего в отличие от аналога возможность измерения плоского перемещения берегов трещин в двух направлениях при более высокой достоверности и точности результатов измерений.

Указанная цель достигается за счет того, что вместо отверстий шириной, равной ширине ползунка, в пластине при изготовлении устраиваются поперечные прорези максимально возможной длины, в которые вставляется ползунок и которые в пределах перемещений, установленных практикой измерений, обеспечивают последнему свободное (без зажима) перемещение в двух направлениях и фиксацию вращения и смещения одной части конструкции относительно другой как вдоль, так и поперек трещины, для чего датчик снабжен двумя парами вертикальных и горизонтальных шкал и позволяет снятие не одного, а двух отсчетов по каждому направлению, что повышает достоверность и точность измерений.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг.1 представлен общий вид датчика измерения перемещений при жизнедеятельности трещин, на фиг.2 - общий вид пластины и на фиг.3 - общий вид ползунка датчика измерения перемещений при жизнедеятельности трещин.

Пластина и ползунок изготовлены из влагостойкой бумаги Polylith толщиной 350 мкм. Пластина (фиг.2) имеет размер 45×100 мм. В правой половине близко к середине и к краю пластины имеются 2 поперечные ее оси прорези длиной (высотой) 34 мм, разнесенные на 37 мм. На левом и правом краях левой и правой прорези соответственно нанесены миллиметровые шкалы шириной по 30 мм и с расположением нулевого деления на оси пластины. На промежутке между прорезями, по всей его высоте, также нанесена миллиметровая шкала со смещением нулевого деления к правой прорези (к центру пластины) и его расположением в 7 мм от нее.

В прорези вставляется ползунок (фиг.3) шириной 20 мм и длиной 100 мм так, чтобы его средняя часть покрывала промежуток между прорезями, а его свободные концы уходили бы под пластину. Ползунок может быть изготовлен различной длины: 150, 200, 250 мм - в зависимости от степени разветвленности трещины и разрушенности ее берегов, подбирается по месту.

На ползунке нанесены три взаимно перпендикулярные шкалы (нониусы) с ценой деления 1,9 (горизонтальные) и 0,9 (вертикальная) мм. Горизонтальные шкалы шириной 38,0 мм размещены по верхней и нижней кромкам пластины с расположением нулевого деления в 39 мм от левого края пластины. Вертикальная шкала шириной 9,0 мм размещена от левого края пластины на длину 82 мм и с расположением нулевого деления на продольной оси ползунка. Изменение длины ползунка не изменяет габаритов и привязки шкал. Нулевые деления горизонтальных шкал обозначены треугольниками, а вертикальных - треугольниками и ромбами.

На тыльной стороне пластины и ползунка наклеены прямоугольные лепестки двухстороннего скотча на основе вспененного полиэтиленового пенопласта шириной 20 мм и толщиной 1,0 мм (4910F, STOKVIS, Boma или подобный), на пластине - с левой стороны, а на ползунке - с правой стороны.

На левой части пластины предусмотрены места для указания:

- номера датчика;

- даты установки и демонтажа датчика;

- отсчетов в момент установки и демонтажа датчика, мм;

- температуры воздуха при установке и снятии датчика, t, °С;

- длины плеч датчика при установке и снятии, l, мм.

Датчик наклеивается на исследуемую поверхность поперек трещины так, чтобы оси прорезей пластины и ползунка совпадали, для чего перед его установкой шкалы пластины и ползунка совмещаются на нулевых отметках и их взаимное положение фиксируется полосками бумажного скотча, который после монтажа датчика снимается.

Таким образом, при жизнедеятельности трещины ползунок свободно может перемещаться в прорезях пластины в рамках от -7 до +35 мм (суммарный диапазон измерений 42 мм), что отвечает свойству трещин практически только расширяться и в пределах, установленных практикой измерений.

При установке датчика на поверхность ценной отделки штукатурный (отделочный) слой не снимается. В случае отслоения отделочного слоя датчик устанавливается на основной материал стены (конструкции) с предварительным удалением с него штукатурки.

При наличии трещины во внутреннем углу для установки датчика свободный конец ползунка должен быть дополнительно оборудован уголком произвольных размеров и материала.

В случае необходимости установки датчика на переувлажненную и замороженную поверхность для закрепления пластины потребуется применить механический способ крепления пластины и ползунка с помощью пластмассового дюбеля =6 мм (типа «Sormat») и оцинкованного самореза необходимой длины. Отверстия для установки дюбелей целесообразно сверлить прямо через пластину (левый край) и ползунок (правый край). Отверстия необходимо располагать на продольных осях пластины и ползунка.

После прикрепления датчика к конструкции на нем отмечают номер, дату установки (снятия) и температуру воздуха при установке (снятии).

По взаимному смещению шкал определяют характер и величину раскрытия трещины.

При наличии угловых деформаций, а также при удаленном расположении датчика и возможности его наблюдения под острым углом наличие двух шкал в каждом из направлений позволяет гарантировать достоверность и точность отсчетов при снятии показаний, например, способом фотографирования, проводимого из одной зоны, но не с одной точки. В любом случае итоговые отсчеты будут равны среднему арифметическому из двух (для каждого из направлений), снятых по верхней и нижней или левой и правой шкалам.

Наблюдение за развитием трещин проводится по графику, который в каждом отдельном случае составляется в зависимости от конкретных условий.

Данные измерений по датчику увязываются с температурой воздуха, на которую вводится соответствующая поправка. Окончательную величину отсчета S, мм, определяют по формуле

S=F- tkl,

где F - отсчет по датчику, мм;

t=(t₁-t_n) - разница температур воздуха в моменты первого и текущего отсчетов в градусах С;

k - коэффициент линейного расширения материала датчика (полипропилен) k=1,1·10^-4;

l - длина плеча датчика, мм (расстояние между серединами лепестков скотча или центрами саморезов крепления пластины и ползунка).

В журнале наблюдений фиксируются: номера датчиков, даты их установки, места и схема их расположения, первоначальная ширина трещины, снимаемые отсчеты и измеряемые температуры окружающего воздуха - первый и текущие. Возможно сразу фиксировать изменение со временем ширины (длины и глубины) трещины.

По данным измерений строят график хода раскрытия трещин.

В соответствии с графиком трещины и датчики наблюдения периодически осматриваются, и по результатам осмотра составляется акт, в котором указываются: дата осмотра, чертеж с расположением трещин и датчиков, сведения о состоянии трещин (ширина, длина и глубина) и датчиков, сведения об отсутствии или появлении новых трещин и установки на них датчиков.

По завершении мониторинга в случае наклеивания датчика на ценную отделку датчик снимается путем разрезания скотча по его телу, после чего оставшийся слой скотча может быть разогрет феном и беспрепятственно удален с сохраняемой поверхности. Остатки клеевого состава могут быть удалены растворителем, марка которого для конкретного вида отделки должна быть указана технологом-реставратором.

В заключение необходимо привести еще и такие данные - на момент составления заявки:

- стоимость устройства одного гипсового маяка составляет по ТЕРрр 8-01008-1, «установка гипсового маяка на трещину стены» 7,319 руб. в ценах 2002 года и 66,57 руб. в ценах I квартала 2009 года (1,46 );

- то же для сводов (ТЕРрр 8-01008-2) составляет соответственно 13,191 и 120,11 руб. (2,64 );

- стоимость одного интерьерного датчика G1 составляет по прайс-листу фирмы «LES JAUGES SAUGNAC ^®» (без таможенного сбора) 6,36 (289,51 руб.);

- стоимость одного экстерьерного датчика G1 составляет по прайс-листу 10,09 (459,30 руб.);

- стоимость одного интерьерного датчика G6 составляет по прайс-листу фирмы «LES JAUGES SAUGNAC ^®» 21,42 (975,04 руб.);

- стоимость одного комплекта защиты датчика G6 составляет по прайс-листу фирмы «LES JAUGES SAUGNAC^®» 6,9 (314,09 руб.);

- стоимость одного комплекта антивандальной защиты датчика G6 составляет по прайс-листу 10,3 (468,86 руб.);

- стоимость одного предлагаемого к патентованию отечественного экстерьерного датчика измерения перемещений при жизнедеятельности трещин из опытной партии в 500 шт. составляет без стоимости упаковки примерно 50,0 руб. (1,10 ).

На момент составления заявки 1 =45,52 руб.

Представляя трудозатраты по установке рассматриваемого отечественного датчика измерения перемещений, можно утверждать, что стоимость установленного датчика не превысит стоимость установленного гипсового маяка даже без учета восстановления, возможно, ценной отделки.