NO320237B1

NO320237B1 - Fremgangsmate og apparat for maling av den lastbaerende evnen til en plattform

Info

Publication number: NO320237B1
Application number: NO20012215A
Authority: NO
Inventors: Alain Quibel; Michel Froumentin; Jacques Marignier; Maurice Leroy; Guy Morel
Original assignee: Central De Ponts Et Chaussees
Priority date: 1998-11-05
Filing date: 2001-05-04
Publication date: 2005-11-14
Also published as: AU752315B2; NO20012215D0; ATE232980T1; CA2349684C; DE69905484T2; ES2193756T3; US6513384B1; FR2785678A1; DK1127275T3; EP1127275B1; DE69905484D1; WO2000028320A1; AU1052300A; NO20012215L; PT1127275E; FR2785678B1; EP1127275A1; CA2349684A1; MA25235A1

Description

Foreliggende oppfinnelse gjelder fremgangsmåte for kontinuerlig å måle stivheten og elastisitetsmodulen for en transport-infrastruktur på veier og industrigulv under arbeidsprosesser eller i driftstjeneste, samt et apparat for å utføre denne fremgangsmåte.

Fremgangsmåten kan anvendes på veiunderlag, brostener eller andre veidekker hvor den søkte modulverdi ligger mellom 30 MPa og 300 MPa og som oppviser en tilfredsstillende geometri for apparatets beregninger.

For nærværende vurderes bæreevnen for utjevningsstener og den under-liggende grunn ved hjelp av følgende apparatur.:

- platebærende prøvevogn,

- dynaplate,

- deflektograf.

De to første apparater utfører en punktmåling. For å få et totalt inntrykk av bæreevnens homogenitet og det som fordres, bør kontrollene utføres i samsvar med et forut opprettet nettverk. Den statiske platebæringsprøven er egnet for modulusverdier opptil 200 MPa, men er relativt tidkrevende.

Dynaplaten er et sjokkapparat hvor deformerbarheten av den undergrunn

som undersøkes bestemmes ut i fra tilbakevendingskoeffisienten som representerer forholdet mellom fallhøyden og tilbakekastingen av en masse som bringes til å falle ned på en rekke fjærer anordnet på en plate med en diameter på 600 mm og som plasseres på bakken. Dynaplateprøven er raskere å utføre enn den statiske platebæreprøven. Dens følsomhet er størst omkring 50 MPa, men blir dårligere utover forbi 100 MPa på grunn av formen av kalibreringskurven mellom elastisitetsmodulen og tilbakevendingskoeffisienten, hvor valget av apparatets egenskaper tas med i beregningen.

Deflektografen avgir informasjon om den utbøyning som genereres av en rullende last, og kan utføres stort sett kontinuerlig i en langsgående profil. Ved sin konstruktive utførelse kan den bare benyttes på steder hvor det er lett tilgang og hvor vedkommende flate og utbøyningen normalt har gunstige karakteristikker, slik som behandlede jordsmonn med liten partikkelstørrelse.

Det finnes også en forbedret versjon av dynaplaten, hvor de dimensjonale forhold er uforandret, men hvis måleprinsipp er annerledes. I denne forbedrede ut-førelse omfatter belastningsplaten en lastcelle som gjør det mulig å få tilgang til ut-ledning av den kraft F som overføres til underlaget som en funksjon av anslagsti-den, såvel som en føler for avføling av den vertikale forskyvning under sjokket. Kombinasjonen av disse to data gir da påkjennings-/deformasjonskurven og mul-iggjør tilgang til modulusverdien. Ved denne fremgangsmåte undersøkes den stigende gren av den kraft/avbøyningskurve som under en anslagssyklus, og den gir da en mer pålitelig måleverdi enn den som oppnås ved den tradisjonelle dynaplate, opptil et modulnivå av størrelsesorden 200 MPa. Målingen er imidlertid fremdeles en punktmåling.

Med et utgangspunkt fra denne teknikkens stilling, har oppfinnelsen som sitt formål å angi en fremgangsmåte for kontinuerlig måling av stivheten eller elastisitetsmodulen for et veidekke.

I henhold til foreliggende oppfinnelse oppnås dette formål ved at den angit-te fremgangsmåte omfatter følgende prosesstrinn: - rulling av et hjul med masse Mr som er opplagret under et chassis med masse M på en veibane, - påføring av vertikale vibrasjoner på hjulet ved hjelp av et ubalansert legeme som roterer omkring hjulaksen og utsettes for en sentrifugalkraft Fc, - måling av den vertikale akselerasjon Gr for hjulet og den vertikale akselerasjon Gc av chassiset som funksjon av tiden og ved hjelp av akselerasjonsfølere som er montert på hjulet og på chassiset, - måling av fasevinkelen cp mellom retningen av sentrifugalkraften Fc på det ubalanserte legemet og vertikalretningen som en funksjon av tiden og ved hjelp av en føler, - beregning av vertikalkomponenten FTA av den kraft som påføres hjulet fra veidekket som en funksjon av tiden, - beregning av den vertikale deformasjon som veidekket er utsatt for som en funksjon av tiden ut i fra målingen av hjulets vertikale akselerasjon Gr, - opprettelse for hver vibrasjonssyklus i sløyfeforløpet av vertikalkomponenten FTA i forhold til deformasjonen d, og - for hver vibrasjonssyklus beregning av sløyfens gradient innenfor vertikalkomponentens stigende kurvegren med det formål å utlede veidekkets stivhet.

Følgende utførelser kan også med fordel anvendes:

- kurvens gradient beregnes innenfor vertikalkomponentens stigende om-råde og da mellom 30% og 90% av vertikalkomponentens maksimalverdi, - elastisitetsmodulen beregnes ved å multiplisere stivhetsverdien med en kalibreringskoeffisient C som er bestemt ved tidligere forsøk, - det anvendes en vibrasjonsfrekvens for hjulet som ligger mellom 20 og 50 Hz,

- hjulet føres frem med en hastighet nær 1 m/sek.,

- hjulets forskyvningshastighet måles kontinuerlig,

- veidekkets midlere stivhet pr. tilbakelagt avstand beregnes ved å beregne middelverdien av de stivhetsverdier som er beregnet under de vibrasjonssykler som tilsvarer denne tilbakelagte avstandsenhet, - den midlere stivhet beregnet som en funksjon av avstanden fremvises kontinuerlig på en fremvisningsskjerm.

Oppfinnelsen gjelder også et apparat for å utføre fremgangsmåten i henhold til oppfinnelsen.

Dette apparat er kjennetegnet ved at det omfatter:

- en slepbar vogn som hviler på hjul for å rulles oppover bakken,

- et chassis med masse Mc som er montert på slepevognen på en slik måte at den kan utføre svingebevegelse om en tverrstilt aksel, - et hjul med masse Mr som er utstyrt med et ubalansert legeme og er opplagret på undersiden av chassiset,

- utstyr for å rotere det ubalanserte legemet,

- en første akselerasjonsføler montert på chassiset,

- en annen akselerasjonsføler montert på hjulet,

- en føler som detekterer det ubalanserte legemets vinkelstilling,

- utstyr for å beregne den kraftkomponent som utøves av hjulet mot veidekket som en funksjon av tiden, - utstyr for å beregne den vertikale deformasjon som veidekket er utsatt for som en funksjon av tiden, og - utstyr for å fastslå, for hver vibrasjonssyklus, vertikalkomponentens verdi i forhold til deformasjonen, samt utstyr for å beregne veidekkets stivhet ut i fra hver vibrasjonssyklus.

Oppfinnelsen vil bli bedre forstått ut i fra gjennomlesning av følgende be-skrivelse av utførelseseksempler og under henvisning til de vedføyde tegninger, hvorpå: fig. 1 viser et sideoppriss av apparatet i henhold til oppfinnelsen anordnet på en veibane,

fig. 2 viser apparatet i fig. 1 sett bakfra og delvis i snitt,

fig. 3 viser et sideoppriss av apparatet i henhold til oppfinnelsen, under driftsforhold,

fig. 4 viser apparatet i fig. 3 sett bakfra og i drift,

fig. 5 viser skjematisk hjulet og chassiset slik de fungerer i drift,

fig. 6 viser en kurve som representerer den totale kraft som utføres under en viss periode eller en middelverdi for 20 perioder,

fig. 7 viser en kurve som representerer den frembrakte utbøyning i løpet av en periode,

fig. 8 viser kraft/utbøyningssløyfen, og

fig. 9 viser oppbygningen av utstyret for datautledning og beregning.

Det skal nå henvises til tegningene og først til fig. 1-4 som viser et apparat 1 utført for kontinuerlig å måle stivheten og elastisitetsmodulen for infrastrukturen for et veidekke beregnet for transport og industrigulv i drift eller under belastning. Apparatet omfatter hovedsakelig et hjul 2 med masse Mr opplagret på undersiden av et chassis 3 med masse Mc. Chassiset 3 er montert på en slepevogn 4 på en slik måte at det kan svinges fritt om en horisontal og tverrstilt aksel 5 som forløper parallelt med akselen 6 for hjulet 2. Slepevognen 4 omfatter to hjul 7 for å rulle på bakken samt en bæreramme 8 som tjener til å holde hjulet 2 og chassiset 3 i en hevet stilling slik som vist i fig. 1 og 2, under transport av apparatet 1 fra et arbeidssted til et annet. Slepevognen 4 slepes av et kjøretøy 9 under sin transport på veier og likeledes når den anvendes på et arbeidssted.

Fig. 3 og 4 viser apparatet 1 i bruk på et arbeidssted. I denne situasjon er hjulet 2 og chassiset 3 frikoplet fra bærerammen 8. Hjulet 2 hviler da mot det veidekke 10 hvis stivhet og elastisitetsmodul skal måles, og ruller fritt når slepevognen 4 føres frem slept av kjøretøyet 9.

Svingeakselen 5 for chassiset 3 befinner seg fortrinnsvis i forenden av slepevognen 4 og i vesentlig avstand fra akselen 6 for hjulet 2, idet denne sistnevnte aksel er plassert på baksiden av chassiset 3.

Når apparatet 1 befinner seg i arbeidsstilling, er det slepevognens oppgave å drive chassiset 3 og hjulet 2 samt å bibeholde hjulet 2 i et plan hovedsakelig parallelt med fremdriftsretningen for kjøretøyet 9.

Hjulet 2 omfatter en horisontal bæreaksel 11 montert på chassiset 3 ved hjelp av lagre 12 som tillater relativ forskyvning mellom hjulet 2 og chassiset 3 i vertikalretningen.

Den horisontale bæreaksel 11 for hjulet 2 er påført synkroniserte ubalanserte legemer 13 som drives i rotasjon om aksen 6 ved konstant hastighet mellom 20 og 50 omdreininger pr. sekund ved hjelp av fortrinnsvis en hydraulisk motor. Den energi som er nødvendig for å drive denne motor tilføres fra kjøretøyet 9 for at massen av apparatet 1 skal være konstant under målingens varighet.

De ubalanserte legemer 13 utsettes for en sentrifugalkraft Fc som er en funksjon av eksentrisitetsmomentet for de ubalanserte legemer 13 og deres rotasjonshastighet.

Hjulet 2 og chassiset 3 blir da utsatt for vertikale vibrasjoner med en frekvens mellom 20 og 50 Hz, avhengig av de ubalanserte legemers rotasjonshastighet.

Fig. 5 viser skjematisk vertikalkomponenten, som her er betegnet som den totale påførte kraft FTA, av de krefter som påføres av hjulet 2, chassiset 3 og de ubalanserte legemer 13 mot veidekket 10.

Denne vertikalkomponent FTA er summen følgende krefter:

- vekten av hjulet 2 og chassiset 3, eller (Mr + Mc) x g, hvor g er jordens tyngdekraft, - treghetskraften på hjulet 2, nemlig Mr x Gr, hvor Gr er vertikalkomponenten av akselerasjonen av hjulet 2, - treghetskraften fra chassiset 3, nemlig Mc x Gc, hvor Gc er vertikalkomponenten av akselerasjonen av chassiset 3, og - vertikalkomponenten av sentrifugalkraften Fc for de ubalanserte legemer 13, nemlig Fc x cos cp, hvor cp er faseforskyvningen mellom retningen av sentrifugalkraften Fc og vertikalretningen.

Vi har derfor ligningen:

hvor massene Mr og Mc er målbare konstanter og sentrifugalkraften Fc er konstant da de ubalanserte legemers rotasjonshastighet er konstant.

Måling av akselerasjonene Gr og Gc samt måling av vinkelen cp som en funksjon av tiden gjør det da mulig å beregne, som en funksjon av tiden, den kraft FTA som påføres av hjulet 2 mot veidekket 10.

I henhold til foreliggende oppfinnelse er hjulet 2 utstyrt med et akselerome-ter 14 av piezo-elektrisk type, og chassiset 3 er likeledes utstyrt med et akselero-meter 15 av piezo-elektrisk type.

Vinkelen cp kan beregnes som en funksjon av tiden takket være en optisk føler 16 som avgir en puls hver gang de ubalanserte legemer 13 passerer gjen-nom sin bunnstilling.

Den verdi som avgis fra akselerometeret 14 som måler den vertikale akselerasjon av hjulet 2 anvendes for å beregne den vertikale vibrasjonsamplitude ved dobbelt integrering.

Denne integrering kan utføres etter faktorisering i Fourier-rekke av aksele-rasjonssignalet Gr samt dobbelt integrering av leddene i rekken.

Vibrasjonens vertikale amplitude tilsvarer den vertikale deformasjon d eller utbøyning som påføres veidekket 10 i anslagsøyeblikket.

Fig. 6 viser en kurve (C1) som angir variasjonen av kraften FTA som en funksjon av tiden under en vibrasjonssyklus, og fig. 7 viser en kurve (C2) som angir variasjonen av utbøyningen D av veidekket 10 som en funksjon av tiden t . under samme variasjonssyklus. Fig. 8 viser den kurvesløyfe (b1) som angir variasjonen av kraften FTA som en funksjon av deformeringen d av veidekket 10. Denne sløyfe (b1) omfatter en øvre gren (b2) som tilsvarer de stigende vertikalkomponenter.

Denne sløyfegren (b2) oppviser et hovedsakelig rettlinjet parti hvis gradient angir et mål for stivheten av veidekket 10.

I praksis blir gradienten målt over et visst parti av den øvre sløyfegren (b2) som ligger mellom 30% og 90% av den målte maksimalkraft Fm.

Kjøretøyet 9 er også på baksiden utstyrt med et Doppler-radarapparat 17 som gjør det mulig å måle hastigheten av kjøretøyet 9 og derved den avstand som tilbakelegges av hjulet 2.

Akselerometrene 14 og 15 er koplet til en sentralenhet 18, som bæres av kjøretøyet 9, over et opptakskort 19 for analoge data. Den optiske føler 16 og Doppler-radarapparatet 17 er også koplet til den sentrale enhet 18 og denne kom-muniserer videre med en mikroprosessor 20 som befinner seg i førerhuset på kjø-retøyet 9.

Fig. 9 viser oppbyggingen av denne sammenstilling som er innrettet for å arbeide i sann tid ved hjelp av et VME-utstyr som er oppbygget omkring f.eks. en mikroprosessor 68020 og en tidskjerne P SOS som fungerer i sann tid.

Denne kjerne utfører da de oppgaver som gjelder dataopptak, synkronise-ring, databehandling, samt dataoverføring til og dialog med mikroprosessoren 20, såvel som styring av elementsammenstillingen.

Dataopptaks- og punktprøvningsprosessen er synkronisert på grunnlag av den informasjon om de ubalanserte legemers omdreiningstall som avgis fra den optiske føler 16, som da utløser en rekke målinger av stikkprøver som dekker 20 påfølgende prøveperioder. En enkelt midlere periode utfra middelverdien av disse 20 perioder frembringes i sann tid under dataopptaksprosessen. Databehandlingen går ut på å utføre alle de beregninger som fører til måleverdien for stivheten av veidekket 10. De gjeldende data blir så overført til mikroprosessoren 20. Disse data omfatter registreringsnummeret, vibrasjonsfrekvensen, translasjonshastighe-ten, den tilbakelagte strekning, den beregnede stivhet, den maksimale totalkraft Fm som er påført og vibrasjonsamplituden.

Helt fra begynnelsen av databehandlingen igangsettes en ny sekvens av dataopptak. Antallet på 20 perioder skriver seg fra ønsket om å uttrykke bæreevnen i elementærsoner på mer enn 1 meter, og ut i fra at opptakstiden nødvendig-vis må være minst lik summen av behandlings- og overføringstiden for at ikke dataopptaks-informasjon skal gå tapt.

Ut i fra de punktprøvede signaler går databehandlingen ut på ved summe-ring av kreftene å bestemme den totale påførte kraft FTA, som da glattes ut ved en Fourier-faktorisering av størrelsesorden 5, og å fortsette med dobbelt integrering av Gr gitt ved Fourier-rekke av orden 10 for det formål å komme frem til ver-dien av deformasjonen d.

De to verdier av henholdsvis FTA og d er ført sammen i en kurve (se fig. 8) som viser at ved hensiktsmessig valg av grenseparametre (f.eks.: nedre grense 30% av Me og øvre grense 90% av Fm), vil regresjonsbehandling av den benytt-ede del (b2) av kurven (b1) gi fasthetsverdien for den sone av veidekket som er blitt avsøkt under de 20 perioder. Det bør bemerkes at 20 vibrasjonsperioder ved en frekvens på 35 Hz tilsvarer en varighet på 0,57 sekunder, hvorunder den tilbakelagte strekning for apparatet 1 vil være av størrelsesorden 0,50 m ved en hastighet på 1 m/sek. Det bør også bemerkes at en punktprøvningsfrekvens på 2 KHz gjør det mulig å oppnå 57 prøvepunkter pr. periode på 35 Hz.

Ved anvisning av den stivhet som er beregnet som en funksjon av den tilbakelagte avstand, på en skjerm som er forbundet med mikroprosessoren 20, vil operatøren eller føreren av kjøretøyet 9 kunne se en kurve over stivheten som en funksjon av den tilbakelagte strekning i form av en grafisk fremstilling.

Som informasjon kan det angis at massen Mr av hjulet 2 er 600 kg, massen Mc av chassiset 3 er 400 kg, diameteren av hjulet 2 er 1 m og bredden av hjulet 2 er 0,10 m.

En kalibreringskoeffisient C som er fastlagt ut i fra tidligere forsøk med apparatet 1 i sammenheng med de fremgangsmåter som benyttes for å måle elastisitetsmodulen av veidekket, gjør det mulig å utlede måleverdier for elastisitetsmodulen av veidekket 10 ut i fra den stivhet som er målt av apparatet 1. Kalibrerings-koeffisienten C er en driftskonstant for apparatet 1 og tilsvarer et fastlagt valg av karakteristiske egenskaper for apparatet, f.eks. dets vibrasjonsamplitude samt apparatets arbeidsfunksjon, f.eks. dets hastighet.

Ut i fra et praktisk synspunkt kan de ubalanserte legemer 13 anta to verdier, alt etter den rotasjonsretning som benyttes.

Apparatet 1 er i stand til å fungere med en lav amplitude, og i dette tilfellet bør rotasjonsretningen for de ubalanserte legemer 13 være motsatt rotasjonsretningen for hjulet 2 under fremføringen av apparatet 1. Denne innstilling tilsvarer det vanlige tilfellet hvor veidekket 10 belastes med mellom 30 og 300 MPa.

Apparatet er også i stand til å fungere med en høy amplitude, og i dette tilfellet vil rotasjonsretningen for de ubalanserte legemer 13 være den samme som for hjulet 2. Denne justering vil da bare kunne benyttes ved veidekker 10 som har modul mindre enn 80 MPa og øker da spesielt målenøyaktigheten i området 30-60 MPa. Utover 80 MPa vil oppløft av hjulet 2 ikke lenger gjøre det mulig å be-handle signalene korrekt.

Eksentrisitetsmomentet for de ubalanserte legemer er 0,3 mkg for lav vibrasjonsamplitude og 0,6 mkg for høy amplitude.

Betingelsene for bruk av apparatet 1 er de vanlige betingelser som gjelder ved måling av veidekkers bæreevne, hvilket vil si at veidekket 10 ikke må omfatte noen frosne partier.

Apparatet 1 er i stand til å utføre målinger med langsgående gradient opp til 7% og tversgående gradient opp til 5%. Utenfor disse betingelser kan de utførte målinger oppvise et lite systematisk avvik.

Det vil være unødvendig å sørge for en passasje av noe som helst utstyr på veidekket 10 forut for målingene. Med hensyn til de skrensefrie tilstander på veidekker 10 som tillates av reglene innenfor fagområdet, gir disse også tilfredsstillende trafikkeringsforhold for sammenstilingen av kjøretøy og slepevogn 4 innenfor det driftsområde som er nevnt ovenfor.

Claims

1. Fremgangsmåte for kontinuerlig å måle stivheten av en transport-infrastruktur for veidekker og industrigulv, hvor fremgangsmåten omfatter følgende prosesstrinn: - et hjul med masse (Mr) opplagret på undersiden av et chassis med masse (Mc) rulles på et veidekke, karakterisert ved at: - hjulet utsettes for vertikale vibrasjoner ved hjelp av et ubalansert legeme som bringes til å rotere omkring hjulets akse og derved utsettes for en sentrifugalkraft (Fc), - måling som en funksjon av tiden den vertikale akselerasjon (Gr) av hjulet og den vertikale akselerasjon (Gc) av chassiset ved hjelp av akselerasjonsfølere montert på hjulet og på chassiset, - måling som en funksjon av tiden fasevinkelen mellom retningen av sentrifugalkraften (Fc) på det ubalanserte legeme og vertikalretningen ved hjelp av en føler, - beregning som en funksjon av tiden vertikalkomponenten (FTA) av den kraft som hjulet påfører veidekket, - beregning som en funksjon av tiden den vertikale deformasjon (d) som påføres veidekket ut i fra måling av hjulets vertikalakselerasjon (Gr), - for hver vibrasjonssyklus opprettes en kurvesløyfe for den vertikale kom-ponent (FTA) i forhold til deformasjonen (d), og - for hver vibrasjonssyklus beregnes sløyfens gradient over den sløyfegren som oppviser stigende vertikalkomponenter, med det formål å utlede veidekkets stivhetsverdi.

2. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at sløyfekurvens gradient beregnes innenfor et områ-de av kurvens stigende vertikalkomponent som ligger mellom 30% og 90% av den maksimale vertikalkomponent.

3. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at veidekkets elastisitetsmodul beregnes ved å multiplisere stivhetsverdien med en kalibreringskoeffisient (C) som bestemmes ved for-søk på forhånd.

4. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at vibrasjonsfrekvensen ligger mellom 20 og 50 Hz.

5. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at hjulet fremføres med en hastighet nær 1 m/sek.

6. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at hjulets forskyvningshastighet måles kontinuerlig.

7. Fremgangsmåte som angitt i krav 1, karakterisert ved at veidekkets midlere stivhet pr. avstandsenhet som tilbakelegges beregnes ved å regne ut den midlere stivhetsverdi tatt over det antall vibrasjonssykler som tilsvarer denne enhet av tilbakelagt strekning.

8. Fremgangsmåte som angitt i krav 7, karakterisert ved at den midlere stivhet som beregnes som en funksjon av tilbakelagt strekning vises kontinuerlig på en fremvisningsskjerm.

9. Apparat for å utføre den fremgangsmåte som er angitt i krav 1, og hvor apparatet omfatter: - en slepbar vogn som hviler på hjul som kan rulle på underlaget, karakterisert ved: - et chassis med masse (Mc) montert på slepevognen på en slik måte at den kan svinge om en tversgående aksel, - et hjul med masse (Mr) og utstyrt med et ubalansert legeme, samt opplagret på undersiden av chassiset, - utstyr for å rotere det ubalanserte legemet, - en første akselerasjonsføler montert på chassiset, - en andre akselerasjonsføler montert på hjulet, - en føler for å detektere det ubalanserte legemets vinkelstilling, - utstyr for å beregne den vertikale deformasjon som påføres veidekket, som en funksjon av tiden, og - utstyr for å fremstille, for hver vibrasjonssyklus, en sløyfe som angir den vertikale kraftkomponent i sammenheng med deformasjonen, samt utstyr for å beregne veidekkets stivhet i forbindelse med hver vibrasjonssyklus.