(prijevod teksta objavljenog na IRT FORUMU 2012)

Uroš BOHINC¹, Vladimir POŽONEC¹, Nenad DRVAR^2
1Zavod za gradbeništvo Slovenije, ZAG
²TOPOMATIKA d.o.o.

Na području strukturnih testiranja konstrukcija mjerenje pomaka pruža važnu informaciju za karakterizaciju odziva konstrukcije na zadanu pobudu silama i momentima.
Ovaj rad fokusira se na praktičnu primjenu optičkog deformacijskog sustava ARAMIS (proizvođača GOM GmbH iz Njemačke) u Zavodu za gradbeništvo Slovenije.

USPOREDBA KLASIČNIH MJERENJA POMAKA S OPTIČKIM DEFORMACIJSKIM SUSTAVOM ARAMIS

Zbog zahtjeva za optimizacijom konstrukcije i povećanju područja primjene, nerijetko je potrebno istražiti ponašanje konstrukcije pri velikim pomacima gdje dolazi do pojave materijalnih i geometrijskih nelinearnosti. U smislu usporedbe mjerenja s rezultatima numeričkih modela, zanimljiva je mogućnost određivanja polja pomaka cijele površine uzorka, koju u suprotnosti sa klasičnim metodama omogućuju samo optičke deformacijske metode. Usporedba s klasičnom metodom mjerenja pomaka nudi dragocjene informacije, koje prikazuju neke prednosti, zbog kojih je mjerenje velikih pomaka u ZAG-u postalo rutinsko. Radi lakšeg razumijevanja temeljne prednosti 3D deformacijskih mjerenja s optičkim mjernim sustavom ARAMIS, u nastavku donosimo kratak sažetak glavnih svojstava mjerenja pomaka s klasičnim mjernim metodama.

Klasično mjerenje pomaka – među najraširenijim metodama mjerenja velikih pomaka je mjerenje s kontaktnim, induktivnim davačima pomaka (LVDT). Oni mjere relativni položaj jezgre senzora naspram kućišta senzora, posredno preko mjerenja promjene napona induciranih u dvjema suprotno namotanih zavojnica koje se nalaze u cilindričnom kućištu. Za provođenje mjerenja pomaka s induktivnim davačima pomaka nužno je imati referentni noseći okvir, koji mora biti odvojen od ispitnog poligona i dovoljno krut da osigurava potrebnu stabilnost pri mjerenju. Važan korak pripreme ispitnog poligona je učvršćivanje davača pomaka na okvir i osiguravanje pravilnog dodira s uzorkom u cijelom predvidljivom radnom području. Sa stajališta osiguravanja što veće točnosti i pouzdanosti djelovanja mehaničkih davača pomaka, najvažnije i ujedno najteže je osigurati ispravno namještanje i učvršćivanje senzora. Ovaj zadatak postaje posebno problematičan kod eksperimenata u kojima se očekuju velike rotacije objekata. Montažu nosećeg okvira i mehaničkih davača pomaka potrebno je provoditi kod svake zamjene uzoraka, što je ujedno vremenski najzahtjevniji korak kod pripreme mjerenja klasičnim mjernim uređajima. Kod uzoraka na kojima je potrebno mjeriti pomake u više točaka brzo dolazimo do posve mehaničkih ograničenja (npr. ne mogu se dva i više senzora prekrižiti u istoj ravnini ili uhvatiti u točno istoj točki).

Slika 1: Klasični davači pomaka: lijevo je LVDT, desno je potenciometarski davač pomaka

Slika 2: Postava mjernog objekta sa velikim brojem klasičnih davača pomaka

Mjerenje pomaka s optičkim deformacijskim sustavom ARAMIS – prostorni položaj izabrane točke na površini objekta moguće je izmjeriti i optički, korištenjem principa stereofotogrametrije. Za prostornu rekonstrukciju potrebno je mjernu točku snimiti iz najmanje dva položaja. Ključ za određivanje prostornog položaja točke je njena identifikacija u obje snimljene slike. Automatsko samostalno prepoznavanje točaka u slici provodi se postupcima slikovne korelacije (DIC – digital image correlation). U tu svrhu potrebno je pripremiti površinu, koja mora imati vizualno bogatu teksturu.

Slika 3: Princip djelovanja optičkog deformacijskog sustava

U nastavku ćemo predstaviti optički deformacijski sustav ARAMIS 5M proizvođača GOM GmbH i praktična iskustva pri svakodnevnom radu u Laboratoriju za konstrukcije, ZAG Ljubljana.

Slika 4: Shematski prikaz optičkog deformacijskog sustava ARAMIS 5M

Sustav ARAMIS 5M koji koristimo u ZAG-u sastoji se od dvije CCD kamere rezolucije 2448×2050 piksela, pričvršćene na nosač (Slika 4). Kamere su povezane sa kontrolnom jedinicom (sensor controller), koji preko programske opreme kontrolira snimanje slika i analognih podataka preko dodatnih ulaza.
Priprema mjerenja započinje s obradom površine uzorka tako da šareni izgled površine omogućuje jednoznačno prepoznavanje iste mjerne točke u obje kamere. Najčešće to radimo tako da površinu naprosto obojimo s mat bijelom bojom, na koju zatim nanesemo uzorak crnih točaka, što osigurava dovoljno visok kontrast u snimljenim slikama.

Prije svakog mjerenja provodimo automatizirani postupak kalibracije (određuju se geometrijska i optička svojstva sustava) koji se izvodi sa certificiranim objektom poznate geometrije. Postupak se provodi tako da se kalibracijski objekt (Slika 5) istovremeno slika s obje kamere iz više kutova u području mjernog volumena. Mjerni volumen (Slika 4) je prostor u kojem je moguće mjerenje položaja izbranih točaka i određen je s izborom leća i razmaka između kamera.

Trenutak početka mjerenja (odn. trenutak početka snimanja slika) moguće je definirati ručno, podesiti snimanje u nekim vremenskim razmacima ili koristiti dodatne informacije iz mehaničkih senzora kao što je to praćenje nekog analognog signala (npr. svaki n-ti ciklus kod max. sile). Pojednostavnjeno gledano, mjerenje je zapravo snimanje parova slika koje se automatski snimaju na disk za kasniju offline obradu. Za izabrani manji broj točaka postoji mogućnost online obrade slika u realnom vremenu, pa se ovaj sustav može koristiti za upravljanje zahtjevnih eksperimenata, gdje je npr. potrebno upravljati brzinom prirasta deformacije.

Slika 5: GOM kalibracijska ploča i križ

Programski paket ARAMIS iz snimljenih slika (ponekad i nekoliko tisuća slika snimljenih tijekom nekoliko dana) automatski izračunava 3D oblik objekta, pomake i površinske deformacije. Konačni rezultat obrade su prostorne koordinate središta faceta u ovisnosti o vremenu, koje odgovaraju odabranim mjernim točkama. Prostorni pomak mjernih točaka mjeri se relativno na izbranu referentnu poziciju. Programska oprema omogućuje mjerenje i dodatnih informacija, kao npr. razmak i deformacije između parova točaka, prostorne kutove, oblik i poziciju geometrijskih primitiva i sl. Iz izmjerenih prostornih koordinata mreže susjednih točka, moguće je dobiti polje pomaka, iz kojeg numerički računamo prosječnu specifičnu deformaciju na izbranom području.

Gledano s mjeriteljskog i korisničkog stajališta možemo zaključiti da vrijedi sljedeće:

1. Klasično mjerenje pomaka:
– mjerenje pomaka i deformacija moguće je samo u smjeru montaže senzora (koji je potrebno izabrati prilikom fiksacije mjernog senzora)
– broj mjernih točaka je limitiran brojem raspoloživih senzora
– fiksacija senzora ponekad zahtjeva bušenje mjernog objekta i dodatni fiksni referentni okvir
– zahtijeva pažljivu montažu senzora, potencijalni izvor sustavnih grešaka je u pogrešnoj montaži
– potrebno je ožičenje i mjerno pojačalo sa velikim brojem paralelnih kanala,
– limitirano područje rada (temperatura, vlaga)
– relativno visoki troškovi kalibracije (vrijeme)
– nelimitirana rezolucija mjerenja

2. Optička deformacijska metoda:
– prostorno mjerenje pomaka (x,y,z)
– metoda mjerenja bez kontakta (nema utjecaja na objekt mjerenja)
– veliki broj mjernih točaka
– jednostavna priprema površine, potrebno je osigurati dobro osvjetljenje
– omogućuje mjerenja u zahtjevnom okružju (mjerenje u termo komorama)
– kalibracija je automatizirana, brza i jednostavna te čini dio mjernog postupka
– mjeri se polje pomaka i deformacija na cijeloj vidljivoj površini mjerenog uzorka
– konačna rezolucija mjerenja
– potrebna je izravna vidljivost površine

EKSPERIMENT: SMIČNO DEFORMIRANJE ZIDA OD OPEKE

Smični test zida je standardni test s kojim u ZAG-u određujemo smičnu otpornost zida potresnom opterećenju. Mjerenje deformacija je važno, jer se iz izmjerenih podataka za svaki zid možemo preko histerezne karakteristike odrediti sposobnost apsorpcije energije. Kod ovog testa zid je u vertikalnom smjeru opterećen s konstantnom silom, pri čemu se kontrolirano mijenja horizontalni pomak gornje grede (Slika 6 i 7).
Prije uvođenja optičkog sustava mjerenje pomaka provodilo se tako da se na nekoliko mjesta direktno mjerio pomak gornje i donje grede u oba smjera. Usporedno se mjerila smična deformacija zida sa dva križno postavljena induktivna davača pomaka. Slika 6 pokazuje detalj ovog mjerenja, obično koristimo min. 12 davača pomaka.

Slika 6: Mjerenje pomaka pri smičnom pokusu konvencionalnom metodom

LVDT senzore pomaka se za svaki test mora posebno namjestiti na posebni nosivi okvir ili direktno na zid. Priprema i montaža mehaničkih davača pomaka obično traje 4-6h. Budući da se zid tijekom eksperimenta sliježe i drobi, pri većim pomacima pouzdanost mehaničkih davača pomaka rapidno opada. Uvijek postoji mogućnost kolapsa konstrukcije zida i samim time uništenja mehaničkih davača pomaka.
Nasuprot tome, kod optičkih mjerenja sustavom ARAMIS nema montaže mehaničke opreme jer su mjerne točke definirane šarenim rasterom. Ovisno o veličini zida, cijela priprema za optičko mjerenje s kalibracijom traje kraće od jednog sata. Tijekom mjerenja dešava se da se odlomi dio zida. Ovo ne predstavlja problem optičkim mjerenjima jer se istovremeno mjeri veliki broj točaka (Slika 8). Zbog bezkontatnog karaktera metode ne postoji ni bojazan od oštećenja mjerne opreme. Tijekom testa ARAMIS upravljačka jedinica preko analognih ulaza dodatno mjeri i iznose ostvarenih sila.

Slika 7: Mjerenje pomaka zida sustavom ARAMIS 5M u laboratoriju ZAG Ljubljana

Slika 8: Izmjereno polje pomaka (komponenta x) s optičkim sustavom ARAMIS

Slika 9: Izmjereno polje pomaka prikazano s vektorima (skala u boji identična je slici 8.)

Slika 10: Crvenom bojom vizualizirane su pukotine

ZAKLJUČAK

Iskustva prikupljena u svakodnevnom radu s optičkim deformacijskim sustavom ARAMIS ukazuju da on predstavlja ne samo primjernu dopunu klasičnim metodama mjerenja pomaka, već ih u velikom broju slučajeva uspješno zamjenjuje. Glavne prednosti su u brzoj pripremi mjernog objekta, mogućnosti mjerenja cijelog polja pomaka i dodatnih mogućnosti obrade izmjerenih podataka. Zbog iznimno jednostavne pripreme mjerenja, mjerenje pomaka s optičkim mjernim sustavom ARAMIS mogu provesti i pri testovima kod kojih bi ih inače bilo nemoguće provesti.

 

ARAMIS – brzi izbornik1. Optičke 3D deformacije 2. Tehničke specifikacije 3. Programski paket 4. Princip mjerenja 5. Rezultati mjerenja 6. Primjeri mjerenja