Övervakning av hållbarheten hos en träportal

”Gröna” skyltportaler på motorvägar är konceptet bakom ett gemensamt österrikiskt affärs- och forskningsprojekt som syftar till att minska koldioxidavtrycket. Inom Green Gantry Project testas nu en konstruktion bestående av trä, metall och limmaterial, som utsätts för vind och väder, för att säkerställa hållfasthet och långsiktig hållbarhet. Dewesoft bidrog genom att mäta töjningar och de resulterande krafterna i konstruktionen.

Alla känner till de grå portalerna över motorvägar. De är vanligtvis tillverkade av stål och bär skyltar, displayer, kameror eller sensorer. Kapsch TrafficCom och Institutet för träbyggnadsteknik och träteknologi vid Graz tekniska universitet har nu utvecklat en “Green Gantry” i trä för att minska dessa konstruktioners koldioxidavtryck.

Lignum Test Center (LTC)

Kapsch TrafficCom leder projektet och ansvarar för den tekniska utrustningen. Projektet finansieras av Waldfonds, ett initiativ från det österrikiska förbundsministeriet för jordbruk, skogsbruk, regioner och vattenförvaltning, och pågår i tre år. Det är en del av det österrikiska träinitiativet “Think.Wood-programmet” och inkluderar följande forskningspartners:

• Institutet för träbyggnadsteknik och träteknologi (LIGNUM, Graz tekniska universitet),

• HASSLACHER Group,

• Denkstatt GmbH.

Lignum Test Center (LTC) vid Graz tekniska universitet ansvarade för att utrusta träprototypen med sensorer samt installera ett Dewesoft-baserat övervakningssystem.

Långsiktig materialinteraktion

Inom forskningsprojektet ligger fokus på två huvudsakliga vetenskapliga områden:

• Materialutmattning: Vind och trafik orsakar dynamiska belastningar på konstruktionen. Inom träbyggnad finns ett kunskapsgap kring materialutmattning, särskilt när det gäller förband.

• Fuktinducerade spänningar: Fukt kan orsaka spänningar i trä genom svällning och krympning. Dessa spänningar förstärks när metalliska fästelement begränsar deformationen. I extrema fall kan detta leda till sprickbildning i träet och i vissa fall även plastisk deformation i metallförbanden.

Monitoring setup

Long-term monitoring was necessary to underline the theoretical modelling within the research project with proper data. For this, TU Graz needed data acquisition equipment:

• SIRIUSi-HD-16xSTGS - universal data acquisition module with USB interface and internal quarter/half bridge completions for measuring strain gages

• 2 x DEWE-43A - universal data acquisition module with USB interface, TU Graz had the bridge completions done externally

• Sync cables - to ensure all modules are running with the same clock - learn more about synchronization here

• DewesoftX software - measurement and analysis software package included with the hardware; software updates are free

• the triggered storing options were beneficial for this project

Mätuppställning

Långtidsövervakning var nödvändig för att verifiera de teoretiska modellerna i projektet med verkliga data. För detta använde TU Graz följande datainsamlingsutrustning:

• SIRIUSi-HD-16xSTGS, en universell datainsamlingsmodul med USB-gränssnitt och interna kvart- och halvbrokopplingar för töjningsgivare,

• 2 × DEWE-43A, universella datainsamlingsmoduler med USB-gränssnitt, där bryggkopplingarna utfördes externt,

• synkkablar för att säkerställa att alla moduler arbetar med samma klocka,

• DewesoftX, programvara för mätning och analys som ingår med hårdvaran och uppdateras kostnadsfritt,

• triggad datalagring, vilket var särskilt fördelaktigt för detta projekt.

TU Graz deltog i projektet från början. Redan under tillverkningen delade teamet träbalken i tre delar för att kunna placera sensorer på tre olika djup från ytan: 60, 120 och 240 mm. Efter att sensorerna installerats limmades delarna samman till den slutliga tvärsnittsformen.

Teamet monterade de flesta sensorerna inne i balkens tvärsnitt, främst i ramens hörn samt några i en av pelarna, vilket resulterade i kabellängder på cirka 5 till 10 meter per sensor. För att möjliggöra korrekt kabeldragning frästes spår i träet. Töjningsgivarna tätades med ett särskilt gummi för att skyddas mot fukt. Elva fuktsensorer installerades på de tre tidigare nämnda djupen för att mäta träets fukthalt.

För att övervaka krafterna i konstruktionen valde ingenjörerna, av noggrannhetsskäl, att mäta i ståldelarna eftersom träets styvhet varierar för mycket. Därför behövde skruvar och gängstänger instrumenteras.

Först borrade teamet ett hål med 2 mm diameter i det höghållfasta stålet. Därefter monterades halvbryggkopplade töjningsgivare med 5-trådsmetod, som limmades fast invändigt med tvåkomponents epoxilim. Dessutom punktsvetsades en bricka ovanpå skruvarna för att hålla den elektriska kontakten på plats. Detta gjordes med stor försiktighet eftersom för hög temperatur under för lång tid kan försämra skruvarnas hållfasthet.

Teamet kalibrerade utsignalen för att mäta upp till 20 kN i skruvarna och upp till 80 kN i gängstängerna.

David Glasner kommenterar processen: ”Även om jag är utbildad byggingenjör kände jag mig mer som en elektriker under arbetets gång.”

Ett kritiskt steg i tillverkningen var blocklimningen. Teamet applicerade lim, placerade de två halvorna exakt ovanpå varandra och satte hela konstruktionen i den stora blocklimningspressen. Lyckligtvis fungerade alla sensorer fortfarande efteråt.

För mätning av utomhustemperatur, luftfuktighet och vindhastighet valde ingenjörerna att använda en väderstation. Den ger seriell utgång som kan avkodas med Dewesofts SerialCOM-plugin, vilket gör att all data kan mätas synkront i DewesoftX-programvaran, se DewesoftX-manualen.

Datainsamlingssystemet har 32 kanaler och består av en SIRIUSi-HD-16xSTGS samt två DEWE-43-enheter. Enheterna är anslutna till en dator med egen strömförsörjning och nätverksanslutning för fjärrövervakning, allt installerat och prydligt monterat i ett styrskåp.

Slutsats

Den nödvändiga samplingshastigheten är låg för långtidsövervakning. TU Graz använder dock funktionen “slow storing”, där min-, max-, medel- och RMS-värden lagras för att ytterligare minska filstorleken.

Systemet skapar automatiskt en ny fil varje dag, vilket underlättar spårbarhet och datahantering.

DI David Glasner, assistent vid institutet, är nöjd med mätsystemet. Han uppskattade särskilt mätmodulernas DSUB9-kontakter för analoga ingångar, som är betydligt enklare att löda än andra alternativ.

När det gäller 16-kanals SIRIUS tillägger han en praktisk synpunkt: ”Användare bör se till att använda den smala varianten av DSUB9-kåpor om kablarna förbereds i förväg.” Samtidigt är han fortsatt nöjd med mätmodulens kompakta formfaktor.

Hans största oro gällde de inbyggda sensorerna, skulle de instrumenterade skruvarna och stängerna fungera som förväntat? Lyckligtvis gjorde de det.

Genom att implementera ett övervakningssystem säkerställer TU Graz portalens funktion och kan använda data för att validera sina ingenjörsmodeller. Det första året har nu passerat och mätningarna visar att den “gröna” portalen fungerar väl. Ovänat nog har ingenjörerna observerat en viss uttorkning i den inre kärnan, vilket de tillskriver konstruktivt träskydd.