Способ обследования и оценки стабильности деревянных столбов

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ЕВРАЗИЙСКОМУ ПАТЕНТУ Дата публикации и выдачи патента СПОСОБ ОБСЛЕДОВАНИЯ И ОЦЕНКИ СТАБИЛЬНОСТИ ДЕРЕВЯННЫХ СТОЛБОВ Способ обследования и оценки устойчивости деревянных столбов, в частности, телефонных и электрических, включает в себя следующие признаки: составление замеренных характеристик посредством измерения сопротивления сверлению в столбе, которые соответствуют фактическому сопротивлению сверлению или производной из этого величине для прочности древесины или ее плотности, составление эталонных характеристик сопротивления сверлению или производной из этого величины нижней границы несущей способности и определение мест повреждений,вида повреждений и класса повреждений из сравнения замеренной характеристики измерения сопротивления сверлению с эталонной характеристикой.(71)(73) Заявитель и патентовладелец: БЕА ЭЛЕКТРИКС ЭНЕРГИТЕХНИК ГМБХ (AT) 016061 Изобретение касается способа обследования и оценки с стабильности деревянных столбов, в частности телефонных и электрических столбов. Деревянные столбы в области сооружения средне- и низковольтных линий, таких как телефония,все еще не забыты. Замена деревянных столбов на бетонные или металлические с точки зрения долговечности и необходимой эластичности навески линии и, соответственно, с экологической точки зрения оказалась неудовлетворительной. Деревянные столбы при соответствующей предварительной обработке/пропитке и регулярном профилактическом уходе долгое время являются надежными опорами для линий передач. Однако, несмотря на пропитку через некоторое время возникают повреждения, будь то медленное гниение вследствие сырости, нападение грибков или насекомых или неожиданные события,как например, удар молнии. На практике до сих пор известны лишь способы, при которых осуществляется или поверхностный визуальный контроль, или пробное сверление наружного участка столба с дальнейшей оценкой высверленного керна. Первая методика имеет при этом тот недостаток, что не дает никаких представлений о повреждениях внутри столба, например, вследствие нападения грибков или насекомых, повышенной влажности и пр., в то время как оценка высверленного керна имеет большой разброс в точности, так как такими точечными отдельными сверлениями часто не удается попасть в места повреждений. Как следствие повреждения от опрокинувшегося столба угрожают как линии передачи, так и окружающей столб среде. Исходя из этого задача изобретения состоит в предложении способа обследования и оценки стабильности деревянных столбов, который простым образом дает содержательные показатели для оценки внутреннего состояния и, таким образом, стабильности деревянных столбов. Эта задача решается посредством соответствующего изобретению способа, который имеет следующие признаки: построение фактических характеристических кривых посредством измерений сопротивления сверлению, которые соответствуют действительному сопротивлению сверлению, соответственно, производной из этого величине для прочности древесины или ее плотности,построение эталонных характеристических кривых сопротивления сверлению, соответственно,производных из этого величин нижней границы несущей способности и определение мест повреждений, вида повреждений и класса повреждений из сравнения фактической характеристической кривой измерения сопротивления сверлению с эталонной характеристической кривой. Предпочтительным образом это позволяет посредством комбинации простых процессов измерений со статически определенными эталонными величинами получить надежную оценку состояния деревянного столба и таким образом принять решение о санировании или замене поврежденного деревянного столба. Предпочтительное дальнейшее развитие и выполнение способа согласно изобретению вытекает из зависимых пунктов. Способ включает в себя признаки визуального контроля деревянного столба, комбинацию результатов измерений сопротивления сверлению с результатами визуального контроля и определение интервалов для дальнейших мероприятий, так чтобы была возможна предпочтительно самая подробная экспертиза деревянного столба. Для различных древесных пород строятся соответственно собственные эталонные характеристические кривые, так чтобы можно было учесть различия в структуре древесины. Чтобы получить статистически содержательные эталонные характеристические кривые, для каждой древесной породы строятся минимум 50 фактических характеристических кривых, и на их основе строится одна эталонная характеристическая кривая. Для определения нижней, еще допустимой граничной величины сопротивления разрушению деревянного столба используется 5%-фрактиль (Fraktile) гауссова нормального распределения, которая позволяет простую и, несмотря на это, удовлетворительную оценку. Предпочтительно сравнение эталонной характеристической кривой с фактической осуществлять по участкам. Расчет и сравнение площадей под линиями графической характеристики осуществляется при этом с заданным шагом, предпочтительно с 2,5%-шагом, что имеет следствием достаточно высокую точность при коротком времени оценки. Из сравнения эталонной и фактической характеристических кривых может последовать соотнесение вида повреждений к их классу, из чего можно надежно определить, нуждается ли деревянный столб в уходе или замене. Чтобы получить содержательные замеры, измерения сопротивления сверлению проводят на деревянном столбе минимум в двух местах сверления под углом друг к другу. Предпочтительно на вкопанном деревянном столбе проводятся два сверления под углом 45 в приземном участке, из которых одно сверление в направлении линии проводки и одно сверление под углом 90 к направлению линии проводки, чтобы провести экспертизу критической области, в которой дере-1 016061 вянный столб чаще всего подвергается гниению. На деревянном столбе с бетонными опорами предпочтительно проводить два горизонтальных замера между болтами крепления деревянного столба, из которых одно сверление по направлению линии проводки и одно сверление под углом 90 к линии проводки. Измерение сопротивления сверлению проводится предпочтительно с помощью сверла с заостренным концом диаметром от 1 до 3 мм, который не причинит древесине значительных повреждений, соответственно, не ослабит ее. Далее изобретение разъясняется с помощью неограничительных примеров реализации со ссылками на чертежи. На фиг. 1 представлен схематически срез деревянного столба с различными типовыми видами повреждений. На фиг. 2 А и 2 В представлены примерная эталонная характеристическая кривая деревянного столба из сосны, а также эталонная характеристическая кривая с наложенной на нее фактической характеристической кривой, полученной в результате полевых измерений деревянного столба из древесины соответствующей породы. На фиг. 3 представлен пример полного процесса измерений и оценки деревянного столба. На фиг. 4 А и 4 В показана диаграмма, описывающая физическое представление испытаний на изгиб,лежащих в основе заявленного способа. На фиг. 5 представлен график для определения коэффициентов линейного изменения для пересчета результатов измерений сопротивления сверлению. На фиг. 6 А-6 С представлено увеличенное изображение двух графиков результатов измерений сопротивления сверлению, а также относящееся к этому поперечное сечение исследованного в качестве примера столба. Традиционное профилактическое обслуживание деревянных столбов ограничивалось в прошлом или визуальным контролем состояния столбов, или сверлением с последующим визуальным контролем высверленного керна. Полученные в результате последнего метода данные, однако, далеко не исчерпывающие и потому не очень надежны, поскольку всегда сверлили выборочно и часто делали на столбе только одно сверление. Соответственно невозможно было выявить, например, лишь частично проявляющееся гниение внутри столба, если производилось сверление только здоровой древесины. Из измерений с помощью сверления, а также из проверок на изгиб поврежденных столбов были определены классы повреждений, которые уже длительное время находят применение и также положены в основу соответствующего изобретению способу обследования и оценки стабильности деревянных столбов. На фиг. 1 представлены изображения типичных повреждений деревянных столбов, которые лежат в основе градации по классам повреждений, что далее будет рассмотрено более детально. Распределение по классам повреждений осуществляется при этом путем наружного осмотра, а также путем измерения изгибающего момента, а также от полезного натяжения и нагрузки на вершину столба. Другими параметрами для классификации повреждений являются измеряемые параметры, как, например, диаметр и высота столба, степень ослабления, пролет линий между столбами и число и поперечное сечение линий передачи, а также табличные параметры, такие как предельный размер, ослабляющие факторы, предельный изгибающий момент, ветровая нагрузка и другие нагрузки. Непосредственно измерения на деревянных столбах согласно соответствующему изобретению способу осуществляются в несколько этапов. Прежде всего на обследуемом столбе выбираются корректные(правильные) точки для измерения с помощью сверления. Эти точки у вкопанных в почву деревянных столбов находятся в приграничной к земле области, поскольку этот участок особенно часто подвержен гниению и поражению вредителями. Там проводятся по меньшей мере два сверления под углом 45 в горизонтальной плоскости, из которых одно в направлении линии передачи, по которой расположены навешенные на деревянный столб провода, и второе под углом 90 к направлению линии передачи. Для деревянного столба, закрепленного с помощью бетонных опор, проводится по меньшей мере два сверления под углом 90 друг к другу между точками крепления деревянного столба к бетонным опорам, из них опять же одно измерение в направлении линии передачи и другое под углом 90 к направлению линии передачи. При измерении сопротивления сверлению сверло диаметром от 1 до 3 мм с заостренным концом вворачивается в древесину. При возрастающей твердости древесины и при этом повышающемся сопротивлении сверлению требуется большая мощность напорного двигателя, которая измеряется прибором и вычерчивается в виде кривой по глубине внедрения (график сила-путь). Измерительные прибор оснащен электронным блоком и соответствующим программным обеспечением. Данные измерения переносятся на компьютер и обрабатываются. Древесина при таком измерении повреждается лишь незначительно. Опилки от сверла остаются в отверстии и снова закрывают его. Ввиду различий твердости ранней (весенней) и поздней (летней) древесины внутри одного годового кольца возникает типичный для дерева график сверления. Если исследуемая древесина имеет разрушение, т.е. ослабленную материальную структуру, то это становится ясным по соответствующему падению графика сопротивления сверлению. Поскольку твердость древесины взаимосвязана с ее толщиной, а по-2 016061 следняя в свою очередь с важнейшими параметрами прочности и состояния, то из графика сопротивления сверлению получается обоснованное представление о состоянии древесины в просверленном месте. Измеренные значения прибора запоминаются электронным путем, после окончания измерений переносятся на компьютер и там обрабатываются. Такой путь делает возможным произвести оценку, которая затем позволяет получить представление и сделать соответствующие выводы относительно санирования или замены деревянного столба. Подготовку и оценку данных измерений, а также отнесение к различным классам повреждений возможно осуществлять электронным путем с использованием традиционных устройств обработки данных и соответствующих программ. Каждый деревянный столб можно отыскать в соответствующей базе данных посредством результатов графика измерений и других специфических параметров объекта, таких как диаметр столба, высота, длина пролета и др., а также из протокола осмотра, как-то наличие дупла,следы от удара молний и пр. и оценить его стабильность. Рекомендации о надлежащих интервалах санирования или замены дополняют соответствующую запись. Измерение сопротивления сверлению проводится по уже отработанной методике. У сильно поврежденных столбов, у которых уже первое измерение сопротивления сверлению показало высокую степень разрушения, можно дальнейшие исследования не проводить. Однако в соответствии с изобретением для количественной оценки результатов измерений предусмотрено проводить определение эталонной характеристической кривой здоровой древесины и сравнить результаты измерений сопротивления сверлению с эталонной характеристической кривой, чтобы сделать не только качественные, но и количественные оценки состояния деревянного столба. Прочность материала пропорциональна толщине дерева и, тем самым, пропорциональна сопротивлению сверления. Таким образом, необходимо строить эталонные характеристические кривые для различных древесных пород, чтобы можно было учесть различия в структуре древесины соответствующих древесных пород. Чтобы можно было получить статистически значимые заключения, для построения эталонной характеристической кривой проводится построение по меньшей мере 50 характеристических кривых для каждого типа. При обнаружении 5%-фрактили гауссова нормального распределения можно установить эталонную характеристическую кривую для значений ниже допустимой границы. Фрактили означают при этом величины, которые с заданной вероятностью превышаются или не достигаются. Так, 50%-фрактиль означает с одинаковой степенью вероятности превышение или не достижение. При симметричном распределении 50%-фрактиль соответствуют среднему значению свойства. 5%-фрактиль статистически означает не достижение значения (величины) на 5%, 95%-фрактиль - превышение на 5%. Сравнение между таким образом полученной эталонной характеристической кривой и взятой в качестве примера построенной по результатам сверления фактической характеристической кривой представлено на фиг. 2 А и 2 В. На фиг. 2 А представлена эталонная характеристическая кривая для деревянного столба из сосны. Для другой древесной породы эталонная характеристическая кривая выглядит иначе,для более твердой древесины, например, амплитуда по оси ординат на приведенной диаграмме выше, так как сопротивление сверлению выше. Сравнение эталонной характеристической кривой с фактической осуществляется, прежде всего,простым наложением фактической характеристической кривой на эталонную и их визуальным сравнением. В дальнейшем возможно, однако, также путем интеграции осуществить вычисление и сравнение площадей под линиями характеристических кривых, например, в 2,5%-шагах. Таким образом из фактической характеристической кривой возможно получение исчерпывающих и подробных данных о местах гниения, картине и классе повреждений. Затем можно провести комбинированное сопоставление результатов измерения сопротивления сверлению с результатами визуального контроля, чтобы завершить картину. Пример полной экспертизы деревянного столба представлен схематически на фиг. 3. Слева представлены графики сопротивлений сверлению четырех сверлений взятого для примера деревянного столба. Из графика сопротивлений сверлению вытекает, что в деревянном столбе имеется обширная зона загнивания. По результатам замеров возможно выяснить картину повреждений, которая схематически представлена справа наверху на фиг. 3. Сравнение с известными классами повреждений, представленными на фиг. 1, показывает высокое совпадение с известной картиной повреждения. Согласно классификации результаты приведенного примера обследования относятся к четвертому классу повреждений, т.е. исследованный столб подлежит замене. Справа внизу представлен поперечный срез деревянного столба, замененного на основании установленного класса повреждений. Чтобы выполнить полное обследование столба, нужно произвести пересчет данных сопротивлений сверлению, что осуществляется путем вычисления разрушающего напряжения а. Как это вычисляется,описывается подробно ниже. Прежде всего рассчитывается максимальное изгибающее напряжение для не пересчитанных сопротивлений сверлению, затем производится сравнение с эмпирическими данными, полученными из испы-3 016061 таний на разрушение, из чего возможно определить коэффициент пересчета для сопротивлений сверлению. Допустимый изгибающий момент для площади А, в данном случае площади поперечного сечения исследуемого столба, известным образом определяется по формуле: В полярных координатах выражается Из этого следует, что с радиусом r как абсолютной величиной. Затем вычисляется максимальное сгибающее напряжение по формуле опять же с радиусом r как абсолютной величиной. На фиг. 4 А и 4 В представлены соответствующие графические изображения физических взаимосвязей при разрушении столба в нижней четверти его длины. Оценка данных, полученных из возможно большего количества испытаний на разрушение позволяет узнать тенденцию, которую можно выразить посредством Величина 2,1842 соответствует при этом наклону прямой, пролегающей через многочисленные точки замеров, как представлено на фиг. 5. Чем больше проводится испытаний на разрушение, тем точнее можно определить коэффициент пересчета. Отсюда можно произвести пересчет сопротивлений сверлению с данными, полученными эмпирическим путем из испытаний на разрушение. причем значение сигмаопределяется из измерений сопротивлений сверлению. Таким образом, из вышеприведенных формул получается: с радиусом r как абсолютной величиной. При дальнейшей оценке столба следует учитывать различные критерии. Амплитуда при измерении сопротивления сверлению дает представление о качестве древесины. Полость, обусловленная загниванием, например, имеет место, если замеренная амплитуда меньше, чем 2,5% эталонной характеристической кривой. Малая плотность древесины также опускает амплитуду ниже эталонной характеристической кривой, что, однако, не обусловливает при здоровой структуре дерева без гниения наличия картины повреждений. Картина повреждений имеется, если на графике измерений видимы по меньшей мере 2,5 мм полости, вызванной загниванием. Обработка полученных данных измерений сопротивлений сверлению осуществляется затем в несколько этапов. Прежде всего нужно получить среднее значение сигмы из обоих измерений сопротивления сверлению, что делается простым усреднением: Непосредственная оценка осуществляется с помощью вычисленного значения сигмы . Простая безопасность согласно EN-норм предписывает значение сигмы, равное =15 МРа (N/mm2). Соответственно получаются классы уровней безопасности без картин повреждений: Если картину повреждения можно понять из графика измерений, делается прежде всего оценка с помощью картины повреждений согласно известным "Предписанием для воздушных линий VDE 0210",по которым устанавливается соответствующая картина повреждений, как это уже коротко было описано в фиг. 1. Картины повреждений из фиг. 1 подразделяются при этом на внешние картины повреждений(обозначены буквами А и В) и внутренние (обозначены буквами С, D и Е), в зависимости от того, видны ли повреждения визуально или нет. Картина повреждений складывается через интерполяцию обоих показателей по оси у обоих измерений с соответствующими показателями по оси X. Вначале анализируются четыре квадранта измерений(фиг. 6A-6C). Квадрант в этой связи означает половину длины каждого из двух сделанных под углом 90 друг к другу измерений сопротивления сверлению в основании столба, так что оба перекрещивающихся пути сверления разделяются в каждую пару квадрантов (1. и 3., а также 2. и 4. квадрант). Если имеется место гниения с полостью минимум 2,5 мм, и оно попадает преимущественно во внешние 40% соответствующего квадранта, то для этого квадранта имеется внешнее повреждение. Если место гниения попадает преимущественно во внутренние 60% соответствующего квадранта, то для этого квадранта в наличии внутреннее повреждение. Из этого можно определить коэффициент ослабления,соответственно, ослабление изгибающего момента (см. табл. 2). Определение коэффициента k ослабления для внешнего повреждения происходит следующим образом. Если внешнее повреждение имеется только в одном квадранте, то это отождествляется с картиной В повреждений из фиг. 1, если у минимум двух квадрантов имеется внешнее повреждение, то это соответствует картине А повреждений из фиг. 1. При определении коэффициента k ослабления для соответственно противоположных квадрантов (квадранты 1+3 и квадрант 2+4) соответственно принимается в расчет наихудший коэффициент ослабления. Определение коэффициента k ослабления для внутреннего повреждения осуществляется следующим образом. Если внутреннее повреждение имеется только в одном квадранте, то оно отождествляется с картиной Е повреждений из фиг. 1. Если внутреннее повреждение имеется в двух не противоположных друг к другу квадрантах, то на лицо картина D повреждений из фиг. 1. Если у двух противоположных друг другу квадрантов имеется одно внутреннее повреждение, то это соответствует картине С повреждений из фиг. 1. Затем снова определяется коэффициент k ослабления. Следует иметь в виду, что столб может иметь как внешние, так и внутренние повреждения. Если имеется как внешнее, так и внутреннее повреждение, вычисляется суммарный коэффициент ослабления как произведение обоих коэффициентов ослабления Если коэффициент ослабления находится в пределах k0,9 и k0,7, соответственно, при преимущественно внешнем повреждении при k0,5 и kAkI, хотя класс повреждений I уже превышен, но класс повреждений IV еще не достигнут, так что пересмотр на класс повреждений II с помощью известной"Оценки ослабленных мачт (столбов)" должен производиться по следующим известным шагам: а) вычисление допустимого изгибающего моментаb) определение ветровой нагрузки W в зависимости от диаметра и высоты столба;c) вычисление полезной растягивающей силы N=M/h-W (изгибающий момент/высота столба минус ветровая нагрузка);d) определение нагрузки на вершине Р столба в зависимости от поперечного сечения проводов и пролетов. Чтобы запас стабильности столба соответствовал классу повреждений II, должны быть выполнены следующие два условия:N=P - полезная растягивающая сила должна быть, по меньшей мере, равной внешней нагрузке на столб;M=123h - минимальная величина изгибающего момента. Общее определение класса повреждений осуществляется согласно нижеприведенной таблице, как уже пояснялось ранее: Таким образом происходит, с одной стороны, оценка запаса стабильности деревянных столбов при гниении по предписаниям VDE, а с другой стороны - с помощью вычисленной величины сигма . Для заключения используется наихудшая из обеих оценок. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Способ обследования и оценки стабильности деревянных столбов, включающий в себя следующие операции: строят фактические характеристические кривые посредством измерения сопротивления сверлению деревянного столба, которые соответствуют фактическому сопротивлению сверлению или производным из этого величинам для прочности древесины или ее плотности,строят эталонные характеристические кривые сопротивления сверлению или производных из него величин нижней границы несущей способности, причем при построении эталонных характеристических кривых для каждого вида древесины используют фактические характеристические кривые, а при задании нижней границы несущей способности используют процентный фрактиль гауссова нормального распределения для эталонной характеристической кривой, и определяют места повреждений, виды повреждений и классы повреждений из сравнения фактических характеристических кривых с эталонными характеристическими кривыми. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что способ дополнительно включает следующие операции: визуально контролируют деревянные столбы,комбинируют результаты измерений сопротивления сверлению с результатами визуального контроля,устанавливают интервал для дальнейших мероприятий. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что эталонные характеристические кривые строят для различных древесных пород. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что для каждой древесной породы строят по меньшей мере 50 характеристических кривых и по ним составляют эталонную характеристическую кривую. 5. Способ по одному из пп.1-4, отличающийся тем, что при определении нижней, еще допустимой граничной величины сопротивления разрушению деревянного столба, используют 5%-ный фрактиль гауссова нормального распределения для эталонной характеристической кривой. 6. Способ по одному из пп.1-5, отличающийся тем, что сравнение эталонной характеристической кривой с фактической характеристической кривой осуществляют по участкам. 7. Способ по п.6, отличающийся тем, что вычисление и сравнение площадей под характеристической кривой производят предпочтительно с 2,5%-шагом. 8. Способ по п.6 или 7, отличающийся тем, что из сравнения эталонной и фактической характеристических кривых производят отнесение к соответствующей картине и к классу повреждений. 9. Способ по одному из пп.1-8, отличающийся тем, что калибровку величины сопротивления сверлению производят посредством определения коэффициента пересчета измерений по окружности столба. 10. Способ по п.9, отличающийся тем, что величина пересчета соответствует наклону прямой через облако точек замера на графике, на который нанесены замеренные величины изгибающих напряжений против рассчитанных изгибающих напряжений. 11. Способ по п.9 или 10, отличающийся тем, что коэффициент пересчета составляет от 2,0 до 2,5. 12. Способ по одному из пп.1-11, отличающийся тем, что измерения сопротивления сверлению в-6 016061 деревянном столбе производят по меньшей мере в двух сверлениях под углом друг к другу. 13. Способ по п.12, отличающийся тем, что во вкопанном деревянном столбе производят по меньшей мере два сверления под углом 45 сверления в приземной области, при этом одно сверление предпочтительно в направлении линии передачи, а другое под углом 90 к линии передачи. 14. Способ по п.12, отличающийся тем, что на деревянном столбе с бетонными опорами производят по меньшей мере два горизонтальных измерения между креплениями столба к бетонным опорам, из которых одно сверление в направлении линии передачи, а другое под углом 90 к направлению линии передачи. 15. Способ по одному из пп.1-14, отличающийся тем, что измерение сопротивления сверлению производят посредством сверла с заостренным концом и диаметром от 1 до 3 мм.