Dinamikus gyökérvizsgálat (DRE)
Divós Ferenc Nyugat-magyarországi Egyetem Simonyi Károly Kar Fizika-Elektrotechnika Intézet
Sopron, 2016. április 29.
Előre jelezhető a fa kifordulása?
Nem könnyű, a gyökér nem látható ….. Rendelkezésre álló módszerek: - húzó vizsgálat - dinamikus gyökérvizsgálat, ÚJ MÓDSZER!
Húzó vizsgálat
Dőlésmérő a fa tövén
Erőmérő és kijelzője
Dőlés (fok)
Gyökér kifordítási vizsgálat
Erő (N) 2 fok felett a kifordításhoz szükséges erő már nem növekszik. A húzó vizsgálatnál maximálisan 0,2 fokot döntünk a fa tövén. Ezzel viharos szelet szimulálunk.
A húzás 16 illetve 32 kN-os vonszolóval történik.
A gyökérzet stabilitását jelző biztonsági tényező (SF) meghatározása
ha SF > 1.5 a gyökérzet stabil ha SF < 1.0 a gyökérzet biztonságos 1.0 < SF < 1.5 szürke zóna h korona_közép h kötél
a
dőlésmérő
M: forgató nyomaték (Nm) F : erő (N) r : levegő sűrűsége (kg/m3) V : szél sebessége (m/s) A : korona területe(m2) c : ellenállás tényező (-) Fkifordít : kifordításhoz szükséges erő (N)
Az értékelés extrapolációval történik
Az általános dőlési görbe:
a = 1/3 tan(p/73,85) +0,00005 p2- 0,0009 p ahol: a: dőlés fokban p: az erő a maximális erő %-ában.
Felműszerezett fa
Dinamikus gyökérvizsgálat Dynamic Root Evaluation (DRE) Új módszer
A szél terhelés dinamikus terhelés Szélsebesség (km/h)
30
25
20
15
10
5
0 1
301
601
901
1201
1501
1801
Idő (s)
2101
2401
2701
3001
3301
Az ötlet
A dinamikus gyökérvizsgálat hasonlít a húzóvizsgálatra, csak a kötélerő helyett a széllökés sebességet mérjük. Ugyan úgy mérjük a fa tövének a dőlését. Ettől lesz a terhelés dinamikus.
Ötlet: - húzás helyett a terhelést a szélre bízzuk. - az erő helyett a szélnyomást használjuk: pszél pszél = (r/2)* V2 - ahol: r a sűrűség, V a szélsebesség
Következmények - a gyakran előforduló szélsebesség kicsi, ezért a fa válasza, illetve dőlése is kicsi lesz. A dőlésméréshez szükséges felbontás 0,001 fok! - Ha az 56m magas pisai ferdetorony dőlése 0,001 fokot változna, akkor a csúcsa 1 mm-t mozdul el. szélsebesség (km/h) szélnyomás (Pa)
10 5
20 19
40 60 90 120 74 167 375 667
A szükséges mérőműszerek: - dőlésmérők - szélsebesség mérő eszköz
Dőlésmérő adat gyűjtővel
A +/- 2 fok tartományban működő 0,001 fok felbontású kétirányú dőlésmérő.
A gömbfejes felfogatás facsavar segítségével.
Dőlésmérő adatgyűjtővel Műszaki adatok: • két tengely • mérési tartomány +/- 2 fok • felbontás: 0,001 fok • hőmérséklet kompenzált • mintavétel gyakorisága 10 Hz • integrált GPS • adattárolás 8 GB SD kártyán • a generált fájlnév a pontos idő, amit a GPS szolgáltat • rögzítés 1 db facsavarral • áramellátás: 12V, áram felvétel: 20 mA
Vizsgálat 4 dőlésmérővel. 1, 3 és 2, 4 azonos görbéket adott. 1 és 2 görbéi eltérőek, de a származtatott biztonsági tényezők azonosak.
1
2
4
3
Szélsebesség mérés Mintavétel gyakorisága 1/sec A valós szélsebességet kell mérni. Legjobb elhelyezés: nyílt terep 10 m magasság Épületek okozta turbulencia elkerülendő
10m magas mobil szélmérő torony ultrahangos szélmérővel és adatrögzítővel
A vizsgált fa és szélmérő távolsága: Max 1-5 km!
Nincsen közvetlen összefüggés a szél és a dőlés között!
A fa tövének dőlése 4 szélsebesség esetén
A fa tövének dőlése x és y irányban. A felvett pontok között 0,1s idő telik el. Sűrű mintavételezésre van szükség. Egyensúly vesztés – dőlési csúcsnál kirajzolódó hurok.
Dinamikus fa modell
Tree damages – recent images
Ábra forrása: James, Kent.R., N. Haritos, and P.K. Addes. 2006. Mechanical stability of trees under dynamic loads. American Journal of Botany 93(10):1361–1369.
A kettős inga kaotikus mozgása
Kaosz elmélet a fizikának az az ága, ami nemlineáris dinamikus rendszerek viselkedésével foglalkozik. Ezek nagyon érzékenyek a kezdeti feltételekre. Kis eltérés a kezdeti feltételekben nagyon eltérő eredményt produkál. Ezt nevezik pillangó effektusnak. Ezzel a rendszer viselkedésének előrejelzése lehetetlenné válik. Még akkor is így van, ha a leíró fizikai jelenségeket pontosan ismerjük. Ezt nevezzük determinisztikus káosznak, vagy egyszerűen káosznak. A fa dinamikus viselkedésének leírásánál a káosz kikerülhetetlen!
A nemlinearitást a húzóvizsgálat bizonyítja
Dőlés (fok)
0,4
0,2
0 -50
-30
-10
10
-0,2
-0,4 Erő (önkényes egység)
30
50
A szakirodalom a káosz jelenségét burkoltan már leírta
•A mass damping system described by Den Hartog (1956) has been defined for trees (James et al. 2006), and occurs when the branches sway together (in phase) or against each other (out of phase) in a complex manner. •Studies indicating that the form of the tree has a greater influence than the material properties (Sellier and Fourcaud 2009)
From: Kenneth R. James, at all.: Tree Biomechanics Literature Review: Dynamics, Arboriculture & Urban Forestry 2014. 40(1): 1–15
Új fogalom a fa dinamikus viselkedésével kapcsolatban a KÁOSZ! Mit tanulhatunk a káoszból? - A kaotikus rendszer jellemzése statisztikus módszerekkel lehetséges:
- az adatok „átlagolása”, jellemzően 5 perces egymást követő idő intervallumokban.
Átlagolási idő intervallum
Korrelációs együttható a fa dőlése és a szélnyomás között
1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0
0
2
4 6 8 Átlagolási idő (perc)
10
12
Biztonsági faktor (SF) számítása
A húzóvizsgálati tangens fgv-ből indulunk ki. Az erő helyett a szélnyomást használjuk. Így a Pmax azaz a kritikus szélnyomás extrapolálással meghatározható.
SF= Pmax / phelyi Phelyi : a helyi maximális szélnyomás, nálunk ez 667 Pa. (120 km/ó szélsebesség)
A dőlés a szélnyomás fgv-ben
A kritikus szélnyomás (pmax) hiba intervalluma a maximális szélnyomás fgv-ben. 20 Pa (20 km/h) felett a kritikus szélnyomás meghatározása lehetséges.
Max szélsebesség 70 km/h
Picea abies Március 2, SF= 1,9+/-0,1 Kritikus szél nyomás =1293 +/-58 Korrelációs koefficiens =0,924
Max szélsebesség 34 km/h
Március 26, SF= 1,6 +/- 0,3 Kritikus szél nyomás = 1063 +/- 202 Pa Korrelációs koefficiens = 0,754
Max wind speed is 70 km/h
Sárgabarack, metszés előtt Március 2, SF= 3,4+/-0,3 Kritikus szél nyomás = 2252 +/- 178 Korrelációs együttható = 0,818
Max wind speed is 34 km/h
Sárgabarack, erőteljes metszés után Március 26, SF= 6,7 +/- 1,1 Kritikus szél nyomás = 4489 +/- 718 Pa Korrelációs együttható = 0,831
egészséges lucfenyő
tőkorhadt lucfenyő
Critical wind pressure = 2842.42 +/- 580.32 Pa Correlation = 83.14%
Egészséges lucfenyő Április 6, SF= 3,8+/-0,7 Kritikus szélnyomás = 2502 +/- 448 Korrelációs együttható = 0,865
Tőkorhadt lucfenyő Date : April 6, SF= 4,3 +/- 0,9 Kritikus szélnyomás = 2842 +/- 580 Pa Korrelációs együttható = 0,834
Összehasonlítás Húzóvizsgálat
Dinamikus gyökérvizsgálat
Kötél rögzítési pont
szükséges
nem kell
Eszközök
Szélsebesség mérő
Terhelés
Kötelek, vonszoló, erőmérő Statikus
Időigény
1 – 3 óra / fa
3 óra / 10 fa
Korona terület, szükséges ellenállás tényező Időjárási feltételek Szélsebesség < 20 km/h Eredmény
Biztonsági faktor
Valóságos
nem kell Szélsebesség > 20 km/h Biztonsági faktor
Juharfa vizsgálata
Húzóvizsgálat 2016 április 5. 71 km/ó alatt biztonságos
Kapcsolat a húzó vizsgálat és a dinamikus gyökérvizsgálat között.
ÁBRA
Kapcsolat a húzó vizsgálat és a dinamikus gyökérvizsgálat között.
ÁBRA
2016. április 15., szélsebesség 63 km/ó
DRE vizsgálat módszer lépései: 0.) Egy olyan nap kiválasztása, amikor a széllökés sebessége meghaladja a 20 km/h-t. 1.) Szélmérő torony felállítása, vagy széladatok bekérése a helyi meteorológiai állomástól. Másodperces adatok szükségesek. 2.) a dőlés regisztrálók elhelyezése a vizsgált fákon. 3.) 1-3 óra elteltével az adatok értékelése.
Összefoglalás - Dinamikus gyökér stabilitás vizsgálat lehetséges! - A fa dőlése és a szélnyomás között 0,8-0,9-es korrelációs együtthatót találtunk. - A szükséges széllökés sebesség 20 km/h vagy nagyobb.
A szél: - lehetővé teszi a dinamikus gyökérzet vizsgálatot, - munkát ad az erdésznek, kertésznek, faápolónak…. -
Grazie per l'attenzione!
