Zijn uw trillingen wel goed gemeten? Carel Ostendorf, Cauberg-Huygen, mei 2008 Met de komst van plug en play trillingsmeters als bijvoorbeeld de Vibra SBR, Red Box en Axilog, is de uitvoering van trillingsmetingen relatief eenvoudig geworden. Opnemer neerzetten en aansluiten, trillingsmeter inschakelen en op “start” drukken. Dit is genoeg om de meting te starten. De gebruikte trillingsopnemers zijn vaak voorzien van de nodige elektronica waardoor kalibratiegegevens en compensatie voor scheefstand automatisch worden meegenomen in de meting. Het gebruiksgemak van de apparatuur verkleint weliswaar de kans op bedieningsfouten maar de meetresultaten zijn ook minder direct zichtbaar. De informatie die getoond wordt op het display is vaak beperkt waardoor mogelijke fouten in de meting minder snel worden opgemerkt. Vaak kan alleen met behulp van een computer een volledig beeld van de meetresultaten en instellingen worden verkregen. Hierdoor wordt de trillingsmeter ineens weer een stuk ingewikkelder. Omdat de bediening van de meetapparatuur weinig specialistische kennis meer vraagt, lijkt het of het uitvoeren van een trillingsmeting evenmin specialistische kennis vraagt. Niets is echter minder waar: de resultaten van de trillingsmeting zijn alleen bruikbaar als op de juiste plaats de juiste parameter is gemeten. Hiervoor moeten in elke omstandigheid keuzen worden gemaakt. Ondanks het gebruiksgemak blijven zaken als meetfouten en nauwkeurigheid een rol spelen in het meetresultaat. Deze kennis is door het gebruik van de eenvoudige trillingsmeter lang niet altijd meer aanwezig bij de uitvoerder van de trillingsmeting. Kennis van zaken blijft echter onontbeerlijk. Bevestiging trillingsopnemer Veel meetsystemen maken gebruik van geofoons. Dit zijn trillingsopnemers die een elektrische spanning produceren die gerelateerd is aan de snelheid waarmee de opnemer trilt. Hoe hoger de snelheid, hoe hoger de uitgangsspanning. De geofoon dient zodanig te worden verbonden met het oppervlak waarvan de trillingssnelheid moet worden gemeten, dat het de bewegingen van het oppervlak goed volgt. Vastschroeven of lijmen zijn hiervoor prima methoden alleen zullen maar weinig bewoners het prettig vinden als er schroeven in hun vloer worden gedraaid of opnemers op de vloer worden gelijmd. De geofoon moet bovendien waterpas kunnen worden gesteld. Daarom zijn de geofoons vaak voorzien van een zware bodemplaat met stelschroeven. De zwaartekracht zorgt voor een voldoende stijve bevestiging zonder dat de vloer hoeft te worden beschadigd en met de stelschroeven kan de opnemer waterpas worden gezet. Ook kan de geofoon voorzien zijn van een beugel waarmee bevestiging aan de muur mogelijk is. Als buiten op maaiveld moet worden gemeten, kunnen de stelschroeven vervangen worden door stalen pinnen die in de grond moeten worden gedrukt. Toch is het verleidelijk om de opnemer met de stelschroeven gewoon op het maaiveld te plaatsen omdat de opnemer dan alleen maar hoeft te worden neergezet. Door het gewicht van de opnemer is de bevestiging toch wel voldoende, is dan de gedachte. De trillingssnelheid zal daardoor niet veel afwijken ten opzichte van de opnemer die in de grond is gedrukt. Maar is dit ook zo? Testopstelling Om de vraag te beantwoorden, is een testopstelling gemaakt waarbij drie geofoons naast elkaar op circa 10 meter afstand van een verkeersdrempel in de grond (grasveld) zijn gedrukt. De onderlinge afstand tussen de geofoons bedroeg circa 10 cm. Alle geofoons registreren alleen de verticale trillingsrichting en zijn aangesloten op dezelfde trillingsmeter (Red Box). Eventuele afwijkingen zijn vooral van belang bij lage trillingssterkten omdat de invloed van de afwijking dan relatief groot is. Als bron is daarom gebruik gemaakt van een auto met een gewicht van circa 1500 kg die met een snelheid van 40 km/uur over de drempel is gereden. Hierdoor zullen relatief lage trillingssnelheden worden veroorzaakt ten opzichte van bijvoorbeeld een vrachtauto die over de drempel rijdt.
De eerste serie metingen is uitgevoerd met alle trillingsopnemers op dezelfde wijze in de grond gedrukt: met de grondpinnen, zo diep mogelijk in de grond en waterpas gesteld. Op deze wijze zijn de onderlinge verschillen tussen de opnemers bepaald. Vervolgens is in de tweede serie metingen één opnemer los op het gras gezet en één opnemer met behulp van een extra gewicht op de opnemer vaster in de bodem gedrukt. Ter vergelijking is de opstelling van één opnemer onveranderd gebleven. Figuur 1 geeft een schematische voorstelling van de meetopstelling.
Voor elke passage van de auto is per kanaal de hoogste trillingssnelheid in de tijd gemeten (Vtop in mm/s). Deze waarden zijn weergegeven in figuur 2. Vervolgens is het absolute verschil tussen de waarden voor Vtop berekend. Door de absolute waarde van Vtop per passage in figuur 2 te laten zien, is ook de verhouding tussen de verschillen ten opzichte van de gemeten waarde duidelijk.
Het grootste absolute verschil tussen de geofoons bedraagt 0,021 mm/s bij een Vtop van 0,19 mm/s (passage 8). Het kleinste absolute verschil bedraagt 0 mm/s (passage 10) bij een Vtop van 0,13 mm/s. De onderlinge verschillen tussen de drie geofoons variëren tussen 0 en 11% ten opzichte van Vtop. Deze verschillen worden veroorzaakt door de kleine verschillen in positie ten opzichte van de bron en de onderlinge verschillen tussen de geofoons. De trillingssnelheid voor kanaal 2 is in 10 van de 12 passages het hoogst. Kanaal 1 geeft in 7 van de 12 passages de laagste trillingssnelheid. Meetresultaat meting verschillende bevestiging De meetresultaten zijn samengevat in figuur 3. Ook hier is per passage de hoogste trillingssnelheid Vtop weergegeven.
Duidelijk is dat de verschillen tussen de kanalen sterk zijn toegenomen. Dit komt door de wijze van bevestiging maar kan ook beïnvloed zijn door verschillen in de bron. Stel dat de auto de drempel in de 2e serie op een andere plaats heeft geraakt dan in de eerste serie dan is dat van invloed op de onderlinge verschillen tussen de drie kanalen. Dit zou zichtbaar moeten zijn in kanaal 2. Immers, voor dit kanaal is de bevestigingsmethode niet veranderd. Een verschil in de bron zou tot een duidelijk verschil in trillingssnelheid tussen de twee series moeten leiden. Voor de eerste serie bedraagt de gemiddelde waarde van Vtop 0,1395 mm/s, voor de 2e serie 0,1357 mm/s. Deze waarden liggen mooi bij elkaar. De hoogste waarde in de eerste serie bedroeg 0,191 mm/s en in de 2e serie 0,17 mm/s. Ook dat komt goed met elkaar overeen. De laagste waarden bedragen respectievelijk 0,105 en 0,102 mm/s en wijken nauwelijks af zodat ook de spreiding tussen de passages in de verschillende series met elkaar overeenkomen. De invloed van de bron in de verschillen tussen de kanalen mag daarmee verwaarloosd worden. Het grootste verschil bedraagt 0,163 mm/s bij passage 6 tussen kanaal 1 en 2. Kanaal 1 (opnemer los op maaiveld) geeft bij deze passage een trillingssnelheid die een factor 2 hoger ligt dan de trillingssnelheid van kanaal 2 (opnemer in de bodem gedrukt). Bij passage 1 is Vtop op kanaal 1 zelfs een factor 2,5 hoger dan Vtop op kanaal 2. In alle passages is de trillingssnelheid van kanaal 1 hoger dan de trillingssnelheid van kanaal 2. In de voorgaande serie gold dat kanaal 1 in 92% van de passages de laagste trillingssnelheid registreerde. Ten opzichte van kanaal 3 geldt dat in acht van de tien passages kanaal 1 een hogere waarde geeft. In de eerste serie gaf kanaal 1 in 58% van de passages een lagere waarde. Het kleinste verschil is gemeten tussen kanaal 1 en 3 en bedraagt 0,006 mm/s (passage 10). Beschouwing Tabel 1 geeft een overzicht van de verschillende statistische parameters voor beide situaties. Per situatie en kanaalcombinatie is aangegeven wat het gemiddelde verschil is, de standaarddeviatie van de verschillen, het grootste verschil en het kleinste verschil. Tabel 1: overzicht statistische parameters
Het antwoord op de vraag of een geofoon die op maaiveld staat dezelfde trillingssnelheid registreert als een geofoon die in de grond is gedrukt, is duidelijk: nee! Er is een groot verschil in trillingssnelheid. Het gemiddelde verschil ten opzichte van de situatie met gelijke bevestiging neemt een factor 10 toe voor de verschillen tussen kanaal 1-2 en kanaal 1-3. Het verschil tussen kanaal 2-3 neemt een factor 5 toe. Ook voor de andere parameters nemen de verschillen sterk toe, variërend van een factor 2 (standaarddeviatie tussen kanaal 2 en 3) tot een factor 14 (standaarddeviatie tussen kanaal 1 en 3). Ook is duidelijk dat de onderlinge verschillen tussen de geofoons en de verschillen in meetpositie geen relevante invloed hebben op de meetresultaten in de 2e serie. Daarvoor is de invloed van de bevestigingswijze te groot. De geofoon op kanaal 3 is met een extra gewicht in de grond gedrukt. Hierdoor oefent de zwaartekracht een grotere invloed uit op de verbinding tussen opnemer en bodem. De bevestiging is daarmee nog stijver dan de bevestiging met alleen de grondpennen. Als de bevestiging met de grondpennen een correcte manier is om de bewegingen van de grond te meten, dan zou dat zeker gelden voor de bevestiging met het extra gewicht op de opnemer. Het extra gewicht zou weinig invloed mogen hebben op de gemeten trillingssnelheid. Toch blijkt dat niet uit figuur 3. De waarden voor Vtop van kanaal 3 zijn consequent hoger dan de waarden voor kanaal 2. Het verschil is redelijk constant en niet al te groot. Dat blijkt ook wel uit tabel 1 voor de situatie met de verschillende bevestiging. Het gemiddelde verschil tussen kanaal 2-3 is het kleinste van alle gemiddelde verschillen in deze situatie. Het extra gewicht bestond uit circa 7 kg staal. Staal beinvloedt de werking van de geofoon omdat in de geofoon een magneet in een spoel beweegt. Net als bij een kompas veroorzaakt het staal daardoor afwijkingen. Toch is het gebruik van extra gewicht op de geofoon een goede manier om voor een extra stijve verbinding te zorgen. Het gewicht mag dan niet van magnetisch materiaal zijn en moet stabiel op de opnemer liggen zodat de bewegingen van gewicht zelf niet voor beïnvloeding van de meting gaan leiden. Conclusie Gemakzucht bij de plaatsing van de geofoon en gebrek aan kennis over de werking van de geofoon, kunnen leiden tot sterk afwijkende meetresultaten. Uit de testopstelling blijkt al een factor 2,5 bij relatief lichte aanstotingen van de bodem. Bij sterkere trillingsbronnen zal de invloed van de verkeerde bevestigingsmethode alleen maar toenemen en kunnen de afwijkingen zo groot worden dat de resultaten van het trillingsonderzoek leiden tot verkeerde conclusies. Het gebruiksgemak van de huidige generatie trillingsmeters is een groot voordeel maar leidt alleen tot de juiste meetresultaten als met voldoende kennis van zaken de trillingsmetingen worden uitgevoerd. Literatuur
Dankwoord Speciale dank aan Rob van Hooijdonk voor zijn bereidheid om ondanks alle werkdruk toch tijd vrij te maken voor de uitvoering van de trillingsmetingen. Verder ook dank aan de gemeente Maastricht die met een vooruitziende blik een verkeersdrempel op loopafstand van het kantoor van Cauberg-Huygen heeft aangelegd. |