Elektroda.pl
Elektroda.pl
X
Elektroda.pl
HelukabelHelukabel
Please add exception to AdBlock for elektroda.pl.
If you watch the ads, you support portal and users.

Monitorowanie obciążenia dachu zalegającym śniegiem

krolikbest 11 Jan 2021 15:03 2853 17
  • Zalegający śnieg na dachu, o ile jest go dużo, potrafi wyrządzić poważne szkody. Można tu wymienić zrywanie rynien, spadanie dużych bloków oblodzonego śniegu na podjazdy garażowe, parkingi, itp. W celu ochrony przed takimi wypadkami stosuje się różnego rodzaju zabezpieczenia przeciwśniegowe w postaci rur, barier, płotków. Ich głównym zadaniem jest zatrzymanie śniegu na dachu i uniemożliwienie zrywania się bloków śnieżnych. Często takie zabezpieczenia przeciwśniegowe narażone są na długotrwały nacisk statyczny, kiedy to masa śniegu naciska na takie zabezpieczenie przez okres 2-3 miesięcy. Wytrzymałość takiej bariery przeciwśniegowej w dużej mierze zależy od jej wykonania i montażu na połaci dachowej. Często producenci akcesoriów przeciwśniegowych podają wartość obciążenia, jakie wytrzymuje 1 [m] zabezpieczenia przeciwśniegowego. Norma PN-80/B-02010 określa wartości charakterystyczne obciążenia śniegiem gruntu, wyznaczając przy tym podział strefowy w Polsce w zależności od wartości tego obciążenia.

    Podstawowym problemem przy ocenie, ile tego śniegu znajduje się na dachu, jest brak możliwości pomiaru obciążenia, jakie wywiera ono na połać dachową lub na zabezpieczenie przeciwśniegowe. W tym celu opracowałem urządzenie pomiarowe, którego zadaniem jest zbieranie danych o nacisku masy śniegowej na zabezpieczenie przeciwśniegowe (rys.1), monitorowanie prawidłowego położenia zabezpieczenia względem powierzchni dachu (rys.2) oraz dostarczanie danych o drganiu zabezpieczenia, które może nastąpić w skutek np. osunięcia wyżej położonych na dachu bloków śnieżnych i uderzenia o bariery zabezpieczające.

    Jak działają siły

    Na rysunku nr.1 przedstawiłem sposób zastosowania zabezpieczenia przeciwśniegowego wraz z umiejscowieniem punktu pomiarowego siły nacisku Fs2 oraz miejsce montażu urządzenia pomiarowego. Rysunek nr 2 przedstawia poglądowo, jak działa siła nacisku masy śnieżnej na elementy bariery przeciwśniegowej i jak one się odkształcają pod tym wpływem - z pozycji normalnej oznaczonej jako 'A' do pozycji oznaczonej 'B'. Odkształcenie może być plastyczne, czyli po stopnieniu śniegu/lodu element nie wraca do swojej pierwotnej postaci i powinien zostać wymieniony na nowy.

    Monitorowanie obciążenia dachu zalegającym śniegiem
    Rys.1 Schemat zastosowania bariery przeciwśniegowej


    Monitorowanie obciążenia dachu zalegającym śniegiem
    Rys.2 Odkształcenie elementu mocującego barierę przeciwśniegową.


    Założenia projektowe i sposób działania

    W założeniu projektowym urządzenia pomiarowego następujące informacje są zbierane i przekazywane do aplikacji głównej:
    • informacja o nacisku masy śnieżnej (pomiar siły Fs2);
    • wystąpienie odkształcenia pojedynczego elementu wspierającego barierę przeciwśniegową - inaczej mówiąc - takie wychylenie, które jest niebezpieczne dla tego elementu (rysunek nr.2);
    • drgania spowodowane osuwającym się blokiem śnieżnym, który uderza w barierę.

    Urządzenie pomiarowe w obecnym stanie jest przedstawione na rysunku nr 3.

    Monitorowanie obciążenia dachu zalegającym śniegiem
    Rys.3 Zdjęcie górnej strony urządzenia pomiarowego


    Składa się z takich elementów jak czujnik drgań, przechyłu oraz czujnika nacisku - tutaj jeszcze niezainstalowanego (górny lewy róg - miejsce do wlutowania przewodów). Ponadto urządzenie jest wyposażone mikrokontroler ATMega8A (w planach możliwa zmiana na inny typ, ale również z rodziny AVR) oraz w kartę esp8266, dzięki której nawiązuje i utrzymuje połączenie z aplikacją główną działającą na komputerze Raspberry Pi 3 B+. Karta jest tak skonfigurowana, że automatycznie łączy się z siecią komputera RPi. Sterowanie esp8266 przez mikrokontroler odbywa się za pomocą komend "AT+" poprzez uart. Atmega jest taktowana wewnętrznym oscylatorem o częstotliwości 8MHz.

    Zasilanie urządzenia jest realizowane poprzez panel fotowoltaiczny 5V oraz moduł ładowarki opartej na układzie TP4056. Do ładowarki podpięty jest akumulator typu Li-Ion/Li-pol o pojemności 3.7V. Nie zastosowałem w tym modelu przetwornicy napięcia. Do wybudzania esp8266 ze stanu "deep sleep" za pomocą Atmegi zastosowałem tranzystor NPN BC547.

    Oprogramowanie

    Oprogramowanie mikrokontrolera napisałem w Bascomie. Głównym zadaniem jest monitorowanie drgań. Ponadto, co określony czas następuje odczyt wartości podawanej przez czujnik nacisku oraz stan czujnika wychylenia. W przypadku wystąpienia drgań, mikrokontroler wybudza esp8266 i wysyła poprzez uart wszystkie wartości/stany poszczególnych czujników.

    Aplikacja po stronie Raspberry Pi ma za zadanie nawiązać połączenie z zainstalowanymi na dachu urządzeniami pomiarowymi oraz zbierać od nich okresowo dane. Program został napisany w środowisku Lazarus (zainstalowany na platformie Windows i crosskompiluję do Raspbiana) i działa w trybie wielowątkowym. Skanowanie urządzeń pomiarowych odbywa się po uruchomieniu prostej funkcji 'ping' . Funkcja działa w pętli i skanuje pewien stały zakres adresów IPv4. Każde urządzenie posiada unikalny adres, który po wykryciu podczas skanowania jest dodawany do listy adresów.

    Po zakończeniu skanowania możliwe staje się uruchomienie głównego zadania aplikacji, co przedstawiłem na screenie poniżej - najbardziej udała mi się ta drewniana ramka na ekran...

    Monitorowanie obciążenia dachu zalegającym śniegiem


    Polega ono na ciągłym odpytywaniu każdego urządzenia pomiarowego. Interwał czasowy można sparametryzować, ale w celu zachowania wydajności akumulatora urządzenia pomiarowego zaleca się dokonywać odczytu raz lub dwa razy na dobę. Wyjątkiem jest tutaj priorytet monitorowania drgań przez urządzenie pomiarowe. Drgania z detektora przychodzą na określony pin uC z przerwaniem sprzętowym. Jeżeli detektor wykryje drgania, urządzenie pomiarowe zostanie wybudzone ze stanu oszczędzania energii i prześle do aplikacji głównej ilość odczytanych drgań oraz wartość siły nacisku Fs2. Wartość siły Fs2 wyznaczono empirycznie. Dla znanej wartości Fśniegu zmierzono wartość Fs2 i wykonano taki pomiar dla kilku wartości Fśniegu w przedziale od 10 kg do 200 kg otrzymując odpowiednio Fs2. Stąd dysponując wartością napięcia, jakie podaje czujnik nacisku przy znanym Fśniegu oraz odczytem Fs2, wbudowano w aplikację funkcję przeliczającą odczytane napięcie na Fs2. Po każdym odczycie urządzenie pomiarowe zostaje uśpione aż do wystąpienia ponownych drgań lub do czasu w którym następuje planowy odczyt wartości/stanów czujników.

    Aplikacja główna uzyskane wyniki z pomiarów może zapisać do pliku w formacie JSON lub udostępnić na wbudowanym serwerze http, screen poniżej. Od razu zaznaczam, że na razie serwer http jest tylko zrobiony w trybie 'proof of concept' i poniekąd wynikało to z niepewności, czy jako osobny wątek nie będzie przeszkadzał w stabilnej pracy całej aplikacji.

    Monitorowanie obciążenia dachu zalegającym śniegiem

    Podgląd danych w ten sposób jest bardzo prosty. Raspberry Pi jest punktem dostępowym (AP) z własnym adresowaniem IP. Przełączając się z innego dowolnego urządzenia typu tablet/smartfon/komputer na sieć rozgłaszaną przez Raspberry Pi i wpisując jego adres, uzyskuje dostęp do podglądu ostatniego odczytu lub historii odczytów ze wszystkich urządzeń pomiarowych. Oprócz tego istnieje możliwość wysyłania odczytów do arkusza Google oraz (aktualnie w budowie) w przypadku odczytania siły Fs2 przekraczającej wartość uśrednionej siły dla strefy IV wg. PN-80/B-02010, wysłania e-maila na wskazany w konfiguracji programu adres. Funkcja ta istnieje dlatego, że często budynki, szczególnie w terenach górzystych, są użytkowane w systemie weekendowym i na co dzień nikt w nich nie przebywa. Informacja uzyskana w ten sposób może być wskazówką, że należy dach odśnieżyć.

    Poniżej przedstawiam zestaw, który testuję. Tak jak pisałem wcześniej, urządzenia nie mają jeszcze zainstalowanych czujników nacisku. W najbliższym czasie przetestuję 3 różne typy. Brak jest również podpiętych paneli fotowoltaicznych, ale w warunkach 'biurkowych' to nie jest składnik niezbędny do testów. Ponieważ urządzenie pomiarowe musi być zamknięte w dopasowanej obudowie o stopniu ochrony zbliżonym do IP54 oraz odpornym na UV, jest to kolejny temat, który w niedalekiej przyszłości pojawi się na tapecie.

    Monitorowanie obciążenia dachu zalegającym śniegiem


    Link do filmiku (wygląd formatki aplikacji może być inny od prezentowanych screenów powyżej - cały czas ewoluuje)

    Cool! Ranking DIY
    Can you write similar article? Send message to me and you will get SD card 64GB.
    About Author
    krolikbest
    Level 10  
    Offline 
    krolikbest wrote 80 posts with rating 29, helped 0 times. Live in city Ogrodzona. Been with us since 2006 year.
  • HelukabelHelukabel
  • #2
    U92
    Level 8  
    Oczywiście rozumiem zamysł projektu, ale chyba u nas aż tak potrzebny nie jest :)
    Kilka lat temu przy renowacji dachu na działce sam myślałem o czymś podobnym, ale odpuściłem :D
    Chyba że u nas w wysokich górach to może być dość przydatne. Myślę, że to fajne, że możemy w tych czasach oprzeć się o gotowe rozwiązania, zamiast projektować coś podobnego od zera :)
  • HelukabelHelukabel
  • #3
    maciej_333
    Level 35  
    To, co zostało zrobione stanowi właściwie analizę sił na równi pochyłej. Może to być zatem stosowane tylko z dachem spadzistym. Kwestią kolejną jest fakt iż urządzenie to może nie dać wiarygodnej informacji. W przypadku świeżego, sypkiego śniegu owszem może to być miarodajne. W przypadku częściowo przetopionego i zamrożonego już nie. Ponadto co, jeśli dojdzie do oblodzenia tego czujnika? Też mierzone siły nie będą właściwe. Co z uwzględnieniem współczynnika tarcia na dachu? Moim skromnym zdaniem powinno się badać naprężenia w konstrukcji nośnej samego dachu. Tylko to da wiarygodne informacje o jego obciążeniu.

    U92 wrote:
    Oczywiście rozumiem zamysł projektu, ale chyba u nas aż tak potrzebny nie jest

    Jest to dyskusyjne stwierdzenie. Doszło już kilkanaście lat temu do zawalenia się pewnej hali targowej z tego powodu.
  • #4
    krolikbest
    Level 10  
    Dlatego tej zimy będę przeprowadzał testy 'w terenie' jeśli podopinam na czas warstwę sprzętową. Czujnik nacisku znajduje się między konstrukcją dachu a elementem nośnym zabezpieczenia śniegowego. Jest hermetycznie zabudowany i podłączony do urządzenia pomiarowego. Myślę, że oblodzenie nie będzie miało wpływu na pracę samego czujnika. Jeżeli masa śniegu będzie mokra lub zlodowaciała (Fśniegu) to przełoży się na wzrost Fs2. Takie pomiary już wykonałem i użyłem w projekcie. Dodatkowo nie zakładam, że przeliczony ciężar Fs2 będę podawał co do grama. Dokładność na poziomie +/- 3 kilo na element nośny bariery wystarczy. Elementy nośne przenoszą wg danych producenta do 120 kilko.
    Tak, na razie to projekt na dachy skośne.
  • #5
    And!
    Admin of Design group
    W terenach górzystych zauważyłem wiele dachów skośnych, lub nawet "bardzo skośnych",
    nie znam się na tym i zastanawiam się czy to element "stylu"/"planu zagospodarowania" czy też właśnie takie najlepiej sprawdzają się przy silnych opadach śniegu.
  • #6
    maciej_333
    Level 35  
    And! wrote:
    W terenach górzystych zauważyłem wiele dachów skośnych, lub nawet "bardzo skośnych",
    nie znam się na tym i zastanawiam się czy to element "stylu"/"planu zagospodarowania" czy też właśnie takie najlepiej sprawdzają się przy silnych opadach śniegu.

    W takich terenach to już obecnie bardziej element planu zagospodarowania z uwagi na obecne zimy. Prawdopodobnie byłby problem z uzyskaniem pozwolenia na budowę budynku mieszkalnego z dachem płaskim.
  • #7
    Jarzabek666
    Level 33  
    No ale przy dachu spadzistym to już widać na oko ile mniej więcej jest... Gorzej właśnie przy dachu płaskim o dużej powierzchni bo nie widać... Jakoś jeszcze nie słyszałem żeby przy dachu spadzistym zawalił się dach bo nawet stare stodoły za "Niemca" jeszcze stoją...
  • #8
    hubiwit
    Level 25  
    maciej_333 wrote:
    Jest to dyskusyjne stwierdzenie. Doszło już kilkanaście lat temu do zawalenia się pewnej hali targowej z tego powodu.

    Hala się zawaliła nie z powodu opadów śniegu, tylko przez przerzucenie całego śniegu w jedno miejsce, podczas odśnieżania dachu :idea:
  • #9
    satanistik
    Level 27  
    A jak śnieg przymarznie do dachu i nie będzie wywierał siły? Zdążą się że śnieg leży na dachu bez barierek i nie spada.
  • #10
    maciej_333
    Level 35  
    satanistik wrote:
    A jak śnieg przymarznie do dachu i nie będzie wywierał siły? Zdążą się że śnieg leży na dachu bez barierek i nie spada.

    Też już pisałem o tym wcześniej. Może być też tak, że odpowiednie oblodzenie zablokuje listwę antyśniegową w odpowiedniej pozycji, by nawet bez śniegu na dachu mieć informację o jego zalegającej znacznej ilości. Ponadto w przypadku dachu spadzistego, czym większy kąt nachylenia, tym mniejsza siła nacisku zalegającego śniegu. Stąd generalnie projekt ten nie ma niestety sensu. Aspekt ten dostrzegł też kolega Jarzabek666.
  • #11
    szelus
    Level 34  
    Jako właściciel dachu skośnego, wyposażonego w płotki przeciwśniegowe powiem tak.
    Projekt ma pewien sens. Oczywiście zgadzam się, że nacisk na płotek a nacisk na konstrukcję to dwie, różne sprawy.
    Ale w przypadku dobrze zaprojektowanego dachu skośnego, śnieg nigdy nie stanowi zagrożenia dla jego konstrukcji, bo wcześniej "zjedzie", niż zdąży uszkodzić tą konstrukcję. Dlatego zresztą na terenach bardziej zagrożonych opadem stawia się, tradycyjnie, bardziej skośne dachy.
    Sytuację zmienia dopiero dodanie płotków. Wprawdzie intuicja mówi mi, że i tak prędzej śnieg "zgarnie" płotki, niż uszkodzi konstrukcję dachu (przetestowane, niestety, w praktyce), chyba, że ktoś naprawdę przesadzi z ilością płotków, to i tak ani jedno zdarzenie, ani drugie nie nastąpi bez pojawienia się wcześniej znacznego naporu na płotki.
    Zatem o ile nie wydaje mi się, by dało się przeliczyć ten napór na obciążenie konstrukcji, to takie urządzenie może się sprawdzić, jako system wczesnego ostrzegania przed "lawiną", która potencjalnie może być groźna nie tylko dla ww. płotków.
  • #12
    kudłaty79
    Level 15  
    a nie lepiej jakaś belka tensometryczna u mieszczona w odpowiednim miejscu aby wykazać strzałkę ugięcia konstrukcji nośnej dachu plus oczywiście przetwornik :)
  • #13
    dondu
    Moderator on vacation ...
    Jakieś 25 lat temu rozmawiałem z inżynierem budowlańcem z Austrii. Wyjaśnił mi, że w miejscowościach górskich narażonych na intensywne opady śniegu konstrukcja dachów jest wzmocniona w stosunku do dachów w innych regionach, i że zatrzymanie śniegu na dachu stanowi dodatkową pożądaną izolację termiczną. W takich budynkach nie odśnieża się dachów nawet gdy mają metrową warstwę śniegu. Płotki natomiast są solidne i jest ich wiele, nie tylko przed rynną, ale na całej powierzchni dachu. Taki śnieg był utrzymywany przez całą zimę.

    Powiedział też, że wjeżdżając do miejscowości turystycznej można zauważyć różnicę pomiędzy starymi i nowymi budynkami gdzie nie wzmocniono dachów. Ta różnica jest później widoczna na pocztówkach - domy z dużą czapą śniegu to te porządnie zrobione konstrukcje.


    Mierząc ugięcie krokwii można też zastosować tani chiński laser.
  • #14
    rezydent1
    Level 11  
    Jeżeli na połaci dachowej o kącie pochylenia powyżej 40 stopni leżą dachówki glazurowane (a takich jest coraz więcej), to śnieg samoistnie się osuwa już przy 7-10cm grubości. Płotki są instalowane przeważnie nad wejściami (gdzie nie ma lukarn) lub wtedy kiedy rynny są mocowane uchwytami do połaci a nie do deski czołowej. Pomysł fajny i można by było go zmodyfikować np. na pomiar ciężaru śniegu na dachu płaskim (odpowiednio przerabiając - na wzór wagi), wtedy chętnych byłoby dużo, szczególnie przy wielkopowierzchniowych sklepach. :D
  • #15
    maciej_333
    Level 35  
    rezydent1 wrote:
    Pomysł fajny i można by było go zmodyfikować np. na pomiar ciężaru śniegu na dachu płaskim (odpowiednio przerabiając - na wzór wagi), wtedy chętnych byłoby dużo, szczególnie przy wielkopowierzchniowych sklepach. :D

    Jest to oczywiście nierealne w przypadku tego projektu. Ponadto ciężar śniegu nie ma znaczenia. Istotna jest natomiast siła nacisku. Na jej podstawie da się wyliczyć obciążenie dla 1 m² powierzchni dachu. Kolejno można to porównać z wartością podaną w dokumentacji budynku i podjąć ewentualne działania odnośnie odśnieżania.

    Każdy też powinien pamiętać z fizyki, że ciężar ciała to nie to samo co jego masa. Ciężar to iloczyn przyspieszenia i masy. Należy tu przyjąć przyspieszenie ziemskie, więc uzyskuje się siłę z jaką ziemia przyciąga dane ciało.
  • #16
    Xaveri
    Level 17  
    Jeżeli zsuwający się śnieg urywa rynny to są one źle zamocowane. i nie chodzi mi o wytrzymałość owego mocowania tylko pozycję rynny względem powierzchni połaci. Rynna powinna być tak zamocowana by półprosta leżąca na płaszczyźnie połaci była styczna do rynny, a tym samym by zsuwający się śnieg przejechał nad rynną i spadł.
  • #17
    Strumien swiadomosci swia
    Level 43  
    Oczywiście że urwane rynny to pokłosie ich badziewnego montażu.
    Po drugie przy dużych dachach śniegołapy są także w połowie dachu w 2 rzędach. Po 3 w niektórych dachach nie ma śniegołapów tak jak u mnie i śnieg po prostu zsuwa się z dachu.
  • #18
    Matheu
    Level 22  
    satanistik wrote:
    A jak śnieg przymarznie do dachu i nie będzie wywierał siły? Zdążą się że śnieg leży na dachu bez barierek i nie spada.
    To chyba jakaś anty-grawitacja musiałaby być. Śnieg po przymarznięciu - wchodzi w stan nieważkości...(???)

    Chyba, że zrobiłeś (duuuży) skrót myślowy - śnieg (po przymarznięciu) nie będzie wywierał siły na barierki, ale NADAL będzie wywierał siłę (OBCIĄŻAŁ) dach (połać dachową), a przez niego - konstrukcję nośną budynku,