NO314603B1 - Fremgangsmåte og apparat for å måle materialers eller strukturers egenskaper - Google Patents

Description

Foreliggende oppfinnelse angår forbedringer i eller i forbindelse med måling av egenskaper av materialer eller strukturer.

Den foreliggende oppfinnelse angår forbedringer i eller i forbindelse med måling av egenskaper av materialer eller strukturer, og er mer spesielt, men ikke eksklusivt, opptatt med måling av de mekaniske egenskaper av skjøre konstruksjonsmaterialer eller de mekaniske egenskaper av skjøre geologiske strukturer.

En eksklusiv utførelse av noen forbedringer som beskrevet her er at måling av de mekaniske egenskaper under dynamiske og kvasistatiske belastninger av en materialprøve både som en global verdi og som en verdifordeling over prøvens tverrsnitt.

Mekaniske karakteristikker (gitt ved arbeidskurver, påvirkningen på disse kurvene av temperatur og deformasjonsforhold, frakturenergidetaljer av deformasjonsmekanismene osv.) har vært studert med hell i plast, rene metaller og legeringer, og den kunnskap man har vunnet med dette har gitt en vitenskapelig basis mot optimal produksjon og praktisk bruk av slike materialer. Situasjonen med skjøre materialer og strukturer er imidlertid meget mer komplisert. Fra et praktisk standpunkt, vil konvensjonelle installasjoner bare tillate bruddgrensen for slike materialer bli målt med tilsvarende stor spredning på grunn av påvirkningen av mikrosprekker på overflaten, indusert i materialet eller strukturen under test. Det er et stadig økende behov for å redusere de enorme tap på grunn av jordskjelv- og ulykkesbelastning, og det er et behov for å oppnå pålitelig informasjon om bruddgenerering og utvikling i skjøre materialer med høy viktighet, så som betong, armert betong, keramikk, kompositter og stenmaterialer: Her er det et viktig poeng i målingen av den energien som blir utløst som mekaniske bølger under frakturutvikling i sprø konstruksjonsmaterialer eller stenmaterialer, når massene og volumet av sten er meget stor, vil energien som utløses under fraktur starte seismiske bølger hvis presise måling forblir et åpent problem.

Det er et mål for den foreliggende oppfinnelse å frembringe et apparat (og fremgangsmåte) for å måle egenskaper av materialer eller strukturer, mer spesielt under deformasjon og fraktur, som er forbedret i det minste i noen henseender.

I henhold til en utførelse av foreliggend eoppfinnelse er det frembrakt et apparat egnet for måling av mekaniske egenskaper ved karakteristikker av et skjørt materiale eller struktur, hvor apparatet omfatter et Hopkinson-stang eller trykkstangsystem omfattende en inngangsstangbunt og en utgangsstangbunt, hvor hver bunt omfatter et antall parallelle stenger som hver er utstyrt med instrumentering for å måle verdier av langsgående spenning- eller sprekkforplantningsparametre i en skjør materialprøve eller struktur under test, plassert under bruk mellom inngangs- og utgangsstangbuntene.

Videre ifølge dette aspekt ved den foreliggende oppfinnelse, er det frembrakt en fremgangsmåte for å måle mekaniske egenskaper eller karakteristikker ved et skjørt materiale eller struktur, hvor fremgangsmåten omfatter plassering av et Hopkinson-stang eller trykkstangsystem, omfattende en inngangsstangbunt og en utgangsstangbunt, under belastning, og således plassere en skjør materialprøve eller struktur, plassert under bruk, mellom inngangs- og utgangsstangbuntene, under belastning, og måling av verdier av skjærbølge eller parametre for forplanting av skjær-sprekker i den skjøre materialprøven eller strukturen fra instrumentering anordnet på et antall parallelle stenger som danner hver av stangbuntene.

Vanligvis gir hver stang i bunten de lokale mekaniske egenskaper av den del av prøvens tverrsnitt som vender mot stangen, mens oppsummering av målingene for stengene i bunten. Når man summerer opp målingene av stengene i bunten oppnår man de globale mekaniske egenskaper ved materialprøven eller strukturen.

Midler kan anordnes for å plassere stangbuntene og således materialprøven eller strukturen under test i kompresjon i en retning langs stangbuntenes akse. I en utførelse av apparatet er hver stang i bunten utstyrt med instrumentering for å måle lokalt forholdet spenning/deformasjon for materialprøven eller strukturen under test i tillegg til å måle verdier av absorbert energi under sprekking av materialprøven eller strukturen under test, såvel som verdien av skjærbølge-forplantning med en kjent komponent av kompresjonsspenning i et sprekkplan, orienteringen av en sprekkoverflate.

I en videre utførelse av apparatet, kan hver stang i bunten være utstyrt med en anordning for å måle hastigheten av en skjærsprekkforplantning når materialprøven eller strukturen under test er plassert i "ren skjæring". "Ren skjæring" betyr at det ikke er noen normal spenning i skjærplanet. I dette tilfelle, er stangbuntene brukt på en vanlig måte for et Hopkinson-stang eller trykkstangsystem idet det blir brukt som mottakere for bølger utsendt ved forplantning av sprekker, og således gir et mål for den energien som er utløst ved sprekkforplantningen.

I en videre utførelse av apparatet, er hver stangbunt anordnet til å måle forholdet spenning/deformasjon i materialprøven eller strukturen under test, i tillegg til å måle verdier for energiabsorpsjon under deformasjonen av materialprøven eller strukturen og hastigheten av skjærsprekkforplantningen i den i forhold med styrt "hydrostatisk" trykk. Uttrykket "hydrostatisk" som benyttet i dette tilfellet betyr at belastning av materialprøven eller strukturen under test er kombinert fra like spenning-hydrostatiske komponenter pluss overskytende belastning langs en retning.

Skjønt det ovennevnte apparat er egnet for måling av egenskaper av skjøre materialer, kunne det også bli brukt for å undersøke sprekkprosesser i plastmaterialer under en hals-utvikling.

I tillegg kan det være en anordning for å plassere buntene med Hopkinson-stenger og materialstrukturen under test i strekk, hvor hver stang er utstyrt med instrumentering for å måle forholdet spenning/deformasjon i et spesielt område av materialprøven eller strukturen, verdien av absorbert energi under strekkprosessen og verdien av langsgående bølgeforplantning inne i materialet eller strukturen, som allerede er kjent fra den publikasjon som allerede er presentert av oppfinnerne med tittelen "Study of the true tensile stress strain diagram of plain concrete with real size aggregate, need for and design of a large Hopkinson bar bundle", som finnes i Journal de Physique IV Colloque C8, supplement au Journal de Physique III, volum 4, september 1994, hele innholdet av hvilken er tatt inn i denne spesifikasjon ved referanse. Aspektet ved den foreliggende oppfinnelse som beskrevet ovenfor representerer en ytterligere utvikling over den ovenstående anordning som vist i denne publikasjonen.

Den ovennevnte publikasjon nevner bare plassering av buntene med Hopkinson-stenger i en dimensjonalstrekk, og det er ikke nevnt noe om instrumentering for å oppnå verdier av skjærbølgeforplantning eller hastighetsmålinger for skjærsprekkforplantning.

Utførelser av den foreliggende oppfinnelse kan frembringe instrumentering for å måle det følgende kompleks av deformasjonskarakteristikker for skjøre materialer: Arbeidsforhold og energiabsorpsjon i materialprøven eller strukturen under test under deformasjonsprosessen, deriblant under nedbrytingen av lasten, under forhold med enkel spenningstilstand (f.eks. strekk eller kompresjon) og i forhold med kompleks spenningstilstand (f.eks. strekkspenning, under hydrostatisk trykk) og nøyaktige målinger av forplantningshastigheter av både longitudinale og skjærbølger under slike forhold, og har derfor et mål for energiutløsning fra en forplantende fraktur som er det fundamentale fenomen ved et jordskjelv.

Hopkinson-stangsystemet er meget brukt for studering av mekaniske karakteristikker av materialer i forhold med høy hastighetsdeformasjon (se f.eks. publikasjon av U.S. Linholm med tittelen "Some experiments with the split Hopkinson pressure bar", Journal of Mechanical Physics Solids 1964 volum 12 317 til 335). De viktige trekke med et slikt system er bruken av to tilstrekkelig lange elastiske stenger (inngangs- og utgangsstenger) plassert på motsatte sider av en prøve for test og analyse av deformasjonsprosessen gjennom signaler av innfallende, reflekterte og overførte bølger.

Den tidligere nevnte publikasjon av oppfinnerne som står i Journal de Physique IV representerer en modifikasjon av Hopkinson-stangsystemet ved å erstatte inngangs-og utgangsstengene ved inngangs- og utgangsstangbunter for å analysere for å analysere sprekkprosessutviklingene i store blokker av skjøre materialer. Hver stang av stangbunten er utstyrt med en strekkmåler, slik at under prosessen av belastning av en prøve ved en bølge som forplanter seg langs systemet, vil signalene som mottas fra stengene i stangbunten tillate at sprekkutviklingene kontrolleres. Informasjon blir således mottatt fra de individuelle stenger (prismer) i henhold til standard Hopkinson-stang metodologi for å finne øyeblikksposisjonen for en sprekk (eller sprekker i tilfelle flere sentre av sprekkgenerering). Den foreliggende oppfinnelse utvikler imidlertid de ideer som er foreslått i denne publikasjonen ved å benytte et Hopkinson- eller trykkstangbuntsystem på en ny og uvanlig måte for å evaluere skjærbølger eller skjærsprekkforplantning i tillegg til å evaluere andre deformasjonskarakteristikker. Spesielt er dette aspekt realisert ved å benytte stengene i bunten som mottakere for longitudinale og skjærbølger utløst ved frakturen som forplanter seg gjennom materialprøven eller strukturen.

Den foreliggende oppfinnelse kan således benytte bølgeeffekter som oppstår i deformasjon og frakturprosesser av skjøre materialer eller strukturer til å måle styrkeparametre og slike viktige karakteristikker som hastigheter og amplituder i longitudinale og skjær-sprekkforplantning både i kvasistatisk og dynamisk belastning. Slike målinger kan tillate utvikling av en mer detaljert realistisk modell av deformasjon og frakturprosesser i materialer.

Den foreliggende oppfinnelse angår også et annet aspekt, opptatt med å motta og analysere informasjon om spenning-omfordeling i en geologisk struktur så som i en stenformasjon, som kan være nødvendig for å forutsi jordskjelv og stenanslag.

Det har vært mange forslag for å måle jordskjelvbølgeeffekter, men anordningen for måling av slike bølgeeffekter i jorden tilhører i hovedsak to klasser: Forskjellige typer av pendler og piezoelektriske målere er diskutert, f.eks. i en publikasjon av M. Wakabayashi, Design of Earthquake-Resistant Buildings, NY McGraw-Hill 1986, sidene 21 til 33.

Muligheten for å bruke slike målere for detaljert analyse av prosesser involvert i den aktive sone av spenning-omfordeling og oppsamling av energi er imidlertid begrenset ved effektene av bølge-refleksjoner som ikke blir tatt i betraktning ved slike målere, og ved en tilsynelatende utilstrekkelig følsomhet av slike målere for alle typer av seismiske bølgekarakteristikker ved et jordskjelv (longitudinale bølger, skjærbølger, overflatebølger osv.). Ifølge et annet aspekt ved den foreliggende oppfinnelse er det således frembrakt et måleapparat bestående av minst en måler anordnet for bruk til å måle bølgeeffekter generert i en struktur, f.eks. en geologisk struktur så som en stenformasjon, hvor måleren eller målerne har måleinstrumentering for å måle verdier av skjærbølge- eller skjærsprekk-forplantning i strukturen.

Videre, ifølge dette andre aspekt ved den foreliggende oppfinnelse, er det frembrakt en fremgangsmåte for å måle verdier av skjærbølge- eller skjærsprekk-forplantning i en struktur ved bruk av et måleapparat bestående av minst en måler anordnet for bruk til å måle bølgeeffekter som genereres i strukturen, f.eks. en geologisk struktur så som en stenformasjon.

En utførelse av måleren er en stang festet f.eks. ved lim på overflaten av strukturen (f.eks. en stenformasjon) slik at måleren vil motta en longitudinal bølge generert enten kunstig (f.eks. en sjokkbølge fra en eksplosiv ladning, mer spesielt i en mine) eller generert naturlig (f.eks. fra en skjærsprekk i områdene av aktive geologiske soner, som produseres gjennom omfordeling og oppsamling av energi en overbelastet lagstruktur som kan forårsake et jordskjelv av et farlig nivå eller et fenomen av en lignende type men på en mindre skala, det såkalte "stenanslag" i miner med en kompleks geologisk struktur, når en bølge generert av en relativ liten men nærliggende kilde kan produsere alvorlig skade). Normalt, er stangmåleren instrumentert til å måle informasjon angående longitudinale bølger som genereres i strukturen.

Videre, kan måleinstrumenteringen på stangmåleren omfatte sett av målere (f.eks. elektriske motstand-strekkmålere) festet til stangen i forskjellige retninger for å tillate deling av informasjon i intensiteter av longitudinale og skjærkomponenter av ankommende forstyrrelser. Denne delingen av informasjon er viktig for analysen av typen av jordskjelvkilden.

Stangmåleren kan i bruk anordnes til å motta et forsterket signal av bølgeeffekter generert i strukturen. Signalet kan blir forsterket, f.eks. ved hjelp av en reflekterende og/eller refrakterende del av systemet eller anordningen.

For å frembringe et reflekterende system, kan måleren plasseres, i bruk, i et rørformet hull anordnet sentralt i en generell konveks, fortrinnsvis parabolsk, overflate skåret eller utformet i strukturen under test.

Alternativt kan et refrakterende forsterkersystem anordnes, fortrinnsvis omfattende en generelt koneform av materialet som strekker seg mellom en ende av stangmåleren og en passende formet overflate av strukturen (hvilken overflate kan være konkav eller konveks avhengig av om hastigheten av lydbølgene i konematerialet er - større enn eller mindre enn, hastigheten av lydbølgene i materialet av strukturen). Overflaten av konen i kontakt med den formede eller skårne overflate av strukturen under test kan være konkav eller konveks etter behov.

Materialkonen kan omfatte en væske som et reflekterende materiale inne i en gummi eller plastbeholder, eller lignende, fortrinnsvis med en tynn vegg.

I praksis, enten systemet omfatter eller ikke omfatter en anordning for å forsterke signalet i strukturen under test, kan tre målere plasseres gjensidig i rette vinkler med hverandre på steder under undersøkelse, for å gi fullstendig informasjon om en tilstand med spenning skapt ved bølgebelastning.

Ytterligere fordelaktige trekk ved den foreliggende oppfinnelse vil fremgå fra den følgende beskrivelse og tegningene.

Utførelser av apparatet og fremgangsmåten for å måle mekaniske egenskaper ved skjøre materialer eller strukturer eller bølgeeffekter generert i en struktur ifølge den foreliggende oppfinnelse skal i det følgende beskrives, bare gjennom eksempler, og med henvisning til den forenklede skjematiske tegningen hvor figur 1 viser et kjent Hopkinson-stangbuntsystem for dynamisk strekktesting av ren betong, figur 2 viser et ytterligere forenklet skjematisk riss fra en side av Hopkinson-stangbuntsystemet, f.eks. som vist på figur 1, i hvilket Hopkinson-stangbuntene er plassert i endimensjonal strekk som er kjent fra tidligere teknikk, figur 3 viser ifølge en første utførelse av den foreliggende oppfinnelse et riss i likhet med figur 2, i hvilket Hopkinson-stengene og materialet under test er plassert i endimensjonal kompresjon for å generere en skjærbølge med en kjent komponent av komresjonspenning i et sprekkplan, figur 4 viser et riss, ifølge den foreliggende oppfinnelse, i likhet med figur 3, i hvilket materialet under test er plassert i en tilstand av ren skjæring, figur 5 viser ifølge den foreliggende oppfinnelse, et riss i likhet med figur 4 i hvilket materialet under test er plassert i endimensjonal kompresjons i forhold med kontrollert hydrostatisk trykk, figur 6 viser en utførelse av en stang-måler ifølge den foreliggende oppfinnelse, anordnet til å måle spesielle bølgeeffekter generert i en stenformasjon, figurene 7 og 8 viser den samme stangmåler anordnet til å måle forskjellige bølgeeffekter generert i stenformasjonen, figur 9 viser en stangmåler ifølge den foreliggende oppfinnelse i kombinasjon med et bølge-reflekterende system, figur 10 viser en stangmåler ifølge den foreliggende oppfinnelse i kombinasjon med et bølgerefrakterende system, og figur 11 viser en anordning i likhet med figur 10 men modifisert til å ta i betraktning forholdet mellom lydhastighetens verdi i stenformasjonsmaterialet under test og en påmontert stang kon. Figur 1 på tegningene viser et kjent Hopkinson-stangbuntsystem 1 anordnet til å teste en betongprøve 2 på en kjent måte. Hver stang 4a av inngangsstangen 4 og hver stang 3a av utgangsstangen 3 er utstyrt med målere i form av elektriske motstandsstrekkmålere s' og betongprøven 2 kan være plassert i strekk ved hjelp av den hydrauliske aktivator 5. Figur 2 er et forenklet grunnriss fra siden av Hopkinson-stangbuntene 3 og 4 (i retning av pilen A på figur 1) som illustrerer virkningen på betongprøven 2. Referanse C] representerer hastigheten av en longitudinal sprekk-forplantning (longitudinal sprekkutvikling skjer når de motsatte sider av betongprøven trekkes fra hverandre i en retning perpendikulært med sprekkplanet for å danne en åpning "0" mer spesielt som vist på figur 2). Den endimensjonale strekkraft tilført stangbuntene 3 og 4 er representert ved pilen T.

Den ovenfor beskrevne anordning er kjent, og forholdet spenning/deformasjon i betongprøven er bestemt ved hjelp av stengene 3a, 4a individuelt instrumentert med strekkmålere s<*> som måler innfallende, reflekterte og overførte pulser angående bare den del av betongprøvens tverrsnitt som vender mot tverrsnittet av paret av stenger i bunten. Således kan man oppnå en verdi for absorbert energi og en verdi av longitudinal bølgeforplantning.

Denne teknikken er forklart i sin helhet den nevnte publikasjon av oppfinnerne, og trenger således ikke å beskrives i ytterligere detalj.

Figur 3 er et forenklet riss av en lignende form til figur 2 av et Hopkinson-stang eller trykkstangbuntsystem 101 omfattende en inngangsstangbunt 103 som har inngangsstenger 103a og en utgangsstangbunt 104 med utgangsstenger 104a av lignende type som Hopkinson-stangsystemet 1 vist på figur 1. Istedenfor at Hopkinson-stangsystemet 101 er utstyrt med hydraulisk aktivator 5 for å introdusere en trekkraft T i Hopkinson-stangsystemet, er aktivatoren 5 erstattet med en anordning for å indusere en endimensjonal kvasistatisk eller anslag-kompresjonskraft C i Hopkinson-stangbuntene. I tillegg er ytterligere instrumentering (ikke vist) innført i stengene 103a og 104a, og tillater således en bestemmelse av verdien av absorbert energi i prøven 102 under test under sprekkprosessen, og verdien av skjærbølgeforplantningen med en kjent komponent av kompresjonsspenning i et sprekkplan, orienteringen av sprekkoverflaten. Hastigheten av en skjærbølge Cs er merket på figur 3.

For den måten på hvilken prøven 102 og Hopkinson-stangbuntene 103 og 104 kan plasseres i anslagskompresjon, se f.eks., EP-PA 96309085.5, EP-PA 96309085.7, og EP-PA 96309084.0. Figur 4 viser et annen scenario for å måle hastigheten av skjærsprekkforplantnmg i en modifisert Hopkinson-stangbunt installasjon 201 for ren skjæring. Ren skjæring betyr at det ikke er noen normal spenning i planet for skjæringen. Cs representerer hastigheten av en skjærbølge i prøven 202 under test. Her er stangbuntene 203 og 204 brukt på en usedvanlig måte for et Hopkinson-stangsystem, siden de er mottakere av bølger emittert ved forplantende sprekker i testprøven, og passende instrumentering (ikke vist) er anordnet på stengene 203a, 204a for å måle hastigheten av skjærsprekkforplantningen. Figur 5 viser et Hopkinson-stangbuntsystem 301 anordnet til å måle forholdet spenning/deformasjon i prøven under test 302 og verdien av energiabsorpsjon under hele deformasjonsprosessen, og hastigheten av skjærsprekkforplantningen i forhold med kontrollert hydrostatisk trykk. Hydrostatisk trykk betyr at belastningen er kombinert fra like spenning-hydrostatiske komponenter og overskuddsbelastning langs en rekke. Med stengene 303a og 304a produsert av høystyrke stål er det mulig å nå et nivå av hydrostatisk trykk på omkring 1 til 2 Gpa, som er av et rimelig geologisk nivå.

Mens man kan forestille seg at prøvene 102, 202 og 302 under test er av et skjørt materiale, kunne Hopkinson-stangbuntsystemene 101, 201 og 301 alternativt brukes til å undersøke sprekkprosesser i plastmaterialer ved trinnet med halsutvikling.

Hver stangbunt 103,104, 203,204, 303,304 omfatter således et antall parallelle stenger 103a, 104a, 203a, 204a, 303a, 304a utstyrt med instrumentering for å måle verdier av skjærbølge eller skjærsprekkforplantning i et skjørt materiale 102, 202, 302 under test, plassert, i bruk, mellom inngangs- og utgangsstangbuntene 103, 104, 203, 204,303,304.

I tillegg kunne naturligvis hvilken som helst av Hopkinson-stangsystemene 101, 102, 103 anordnet til å plassere prøven under test i strekk, som i anordningen ifølge tidligere teknikk (figurene 1 og 2).

Den foreliggende oppfinnelse kan således lette en avansert studie av deformasjonsprosessen i skjøre materialer, brukt som basisbølgemekanikkprinsippene. De ovenfor beskrevne Hopkinson-stangbuntsystemene 101, 201, 301 kan muliggjøre en assimilering av et kompleks av essensielle deformasjonskarakteristikker for skjøre materialer, så som kraft-forskyvningsforhold, inkludert nedbryting av lasten, verdier av absorbert energi, verdi av hastigheten av longitudinale og skjærbølger ved forskjellige spenningsforhold, og derfor av energiutløsning som spenningsbølger under fraktur-forplantning og både i kvasistatisk og dynamisk belastning, tillate utvikling av en detaljert realistisk modell av frakturprosesser og materialer.

Figur 6 viser en enkelt stangmåler 500 som er forbundet, f.eks. ved liming, med overflaten ^ på en stenformasjon R, hvor aksen 501 for stangmåleren strekker seg i rett vinkel med overflaten r^ hvor måleren er anordnet til å måle bølgeeffekter generert i stenformasjonen. Måleren 500 er anordnet slik at den vil motta, fra den longitudinale bølge som faller ved overflaten rj med en partikkelhastighet Uix, et signal som tilsvarer den dobbelte partikkelhastighet 2 U|X på grunn av bølgemekanikksregelen for refleksjon fra en fri overflate. C|X indikerer hastigheten av den longitudinale bølge. Uix representerer den tilsvarende partikkelhastighet utover fronten på den longitudinale bølge. Stangen 500 kan ha måleinstrumentering 502 forbundet med ledninger 502a med analyseutstyr (ikke vist) for å måle parametre i forbindelse med den longitudinale bølge.

På lignende måte, viser figurene 7 og 8 stangmålere 600 og 700 limt på overflaten ri av stenformasjonen R, utstyrt med måleinstrumentering 602, 702 med ledninger 602a, 702a som forbinder instrumenteringen med analyseutstyr (ikke vist).

Figur 7 illustrerer hvordan (på lignende måte som figur 6) den dobbelte partikkelhastighet 2 Usy kan bli målt for en skjærbølge som forplanter seg i en retning i rett vinkel med en fri overflate. Csx og Usy betyr henholdsvis hastigheten av en skjærbølge i x-retningen og U«y betyr en tilsvarende partikkelhastighet perpendikulært med fronten av skjærbølgen. Evnen til å måle Usy er gitt ved orienteringen ved 90° i forhold til stangens akse, av strekkmåleren 602a. En skjærbølge som forplanter seg langs den fri overflaten ri hvor måleren 700 er limt vil imidlertid forårsake bevegelse av den frie overflaten med partikkelhastigheten U^. Stangmåleren 700 kan benyttes til å måle denne verdien (ikke doblet) ved strekkmåleren 702 på figur 8. De tre stangmålerne 500, 600 og 700 kunne naturligvis erstattes med en enkelt stangmåler instrumentert med instrumentering 502, 602, 702 for å måle alle tre parametre diskutert i forbindelse med figurene 6,7 og 8.

Måleinstrumenteringen på stangmåleren kan således omfatte et sett elektriske motstand-strekkmålere limt på stangen i forskjellige retninger for å tillate deling av informasjon i intensiteter av longitudinal skjærkomponenter av ankommende forstyrrelser. Et måleinstrument orientert langs stangen vil gi informasjon angående amplituden og impulsvairasjonen for den longitudinale bølge. Et par målere anordnet ved to diametralt motsatte posisjoner orientert perpendikulært til den longitudinale akse av stangen vil gi informasjon angående amplituden av skjærbølgen med tilsvarende retninger av partikkelhastighet. Usy indikerer partikkelhastighet i en skjærbølge hvor retningen er perpendikulær til hastigheten av skjærbølgeforplantningen.

For å øke følsomheten for måleren for bølgeanalyse i geologiske strukturer, f.eks. for å motta pålitelig informasjon om sprekkdannelse enten i et mulig fremtidig episenter for et sterkt jordskjelv eller i et senter for energiansamling av en stenformasjon i en mine med en kompleks geologisk struktur med tilbøyelighet til stenanslagsdannelse, kunne den anordningen som er vist på figur 9 benyttes. En avstand fra stangmåleren 800 til en sannsynlig sprekk kan være omkring 50 til 100 km, i tilfelle med et jordskjelv-episenter eller omkring 1 til 5 km i tilfelle en spenning-omfordeling i en mine på grunn av fjerning av volumer av malm og industrielle eksplosjoner. Amplituden av ventede signaler er proporsjonale med avstanden. En amplitude kan således være meget liten ved nivået av en bakgrunnsstøy fastsatt med standard jordskjelvmålere, og derfor vil følsomheten av måleapparatanordningen trenge å være høyere enn den som er anordnet for figurene 6 til 8. For å øke følsomheten av apparatet, f.eks. som vist på figur 9, benytter man en analogi mellom optiske bølger og lydbølger. F.eks., amplituden av et signal kan økes i hovedsak ved et reflekterende system (figur 9) eller et refrakterende system (se figurene 10 og 11). Med henvisning til figur 9, ved fluks-konserveringsloven, kunne partikkelhastigheten for et signal ved et fokalt plan beregnes som U = UoS/s hvor Uo er partikkelhastigheten i en fallende bølge ved inngangsseksjonen S, og s er seksjonen av "et bilde" som er tverrsnitt av stangmåleren hvor signalet U er målt. Figur 9 viser en stenmasse R kappet til en form vist på figuren, hvor stangmåleren 800 er satt inn i et rørformet hull r! anordnet sentralt på den parabolformede stenoverflate r2. Et reflekterende system med en parabolsk overflate r2 er lettere å fremstille enn et refrakterende system, men en analyse av det målte signal fra instrumenteringsmåleren 802 (som har ledninger 802a til analyseutstyr, ikke vist) vil være mer komplisert på grunn av delingen av den fallende longitudinale bølge ved refleksjon fra den skrå overflaten for longitudinale og skjærbølger. Som skulle være åpenbart fra figur 3, blir bølgene W som beveger seg i stenmassen R bli reflektert av den parabolske overflate r2 til stangmåleren 800, hvor refleksjonen og den etterfølgende fokuseringseffekt således forsterker signalet. Figurene 10 og 11 viser alternative anordninger X, Y for måling av signaler forsterket ved refraksjonssystemer.

På figurene 10 og 11, er en kon av materialet 901, 1001, plassert mellom en ende av stangmåleren 900, 1000, og en konkav stenmasseoverflate 902 av stenmassen 903 (figur 10) eller en konveks stenmasseoverflate 1002 av stenmassen 1003. Bruk av en spesiell en av de to anordningene X, Y vist på figurene 2 og 11 vil avhenge av forholdet mellom lydbølgehastighetene Ci, C2 i stenmaterialet og materialet av den respektive kon 901, 1001 som strekker seg mellom den konkave eller konvekse overflate 902, 1002 og enden på stangen 900 eller 1000.

Den fokale avstand av en sfærisk overflate 902, 1002 (sfærisk i tilnærming av små vinkler) er

F = R'C1/(C2-C1).

Anordningen som vist på figur 10 representerer således den situasjon hvor hastigheten av bølgen Ci i stenmaterialet er mindre enn hastigheten av bølgen C2 i materialkonen 901. R' er radien for den sfæriske overflate.

Når imidlertid hastigheten av lydbølgen er større i stenmaterialet enn i materialkonene (dvs Ci er større enn C2), bør den anordningen som er vist på figur 11 benyttes. Når således C2 er større enn Ci er en konkav stenoverflate 902 som er tilpasset en konveks konoverflate nødvendig som på figur 10. Når C2 er mindre enn Ci er en konveks stenoverflate 1002 nødvendig for å tilpasses med en konveks konoverflate som vist på figur 11.

I hvert tilfelle, vil bølgene W i stenformasjonen 903, 1003 bli forsterket når de refrakteres i konmaterialet 901, 902, og således overføre forsterkede signaler til stangmåleren 900, 1000 utstyrt med instrumentering 904, 1004 med ledninger 904a, 1004a til analyseutstyr (ikke vist). Materialkonen 901, 1001 kan omfatte en væske som refrakterende materiale inne i en tynnvegget gummi eller plastbeholder eller lignende. Et slikt scenario letter god overføringskontakt ved den konvekse eller konkave transmisjonsoverflate 902, 901a, 1002, 1001a og bruk av væsken kan tillate overføring av praktisk talt bare den longitudinale bølge for å måle nøyaktig den gitte komponent av en normal spenning.

Tre normalt plasserte målere kan være nødvendig for å gi total informasjon om en spenningstilstand, skapt av en bølgebelastning, i et punkt under undersøkelse. Det er mulig å unngå praktisk et reflektert signal fra den fjerne ende av en temmelig kort målestang hvis væsken brukes med passende absorpsjonskoeffisient.

Totalt, med henvisning til figurene 9 til 11, vil derfor måleinstrumenteringen på stangmålerne 900, 1000 måle en amplitude forstørret sammenlignet med verdien av partikkelhastigheten i den fallende bølge (dette signalet kan omberegnes til forskyvning og trykk, hvilket er et produkt av densitet og verdier av bølgeforplantningen og partikkelhastighetene). Selv i tilfelle med rene longitudinalt fallende bølger, etter refleksjon fra den skrå overflate (se figur 9) eller refraksjon ved den skrå grensen (se figurene 10 og 11) oppstår det en deling i to bølger (på grunn av den skrå retning av en forskyvning), longitudinale bølger og skjærringsbølger som beveger seg med sine egne hastigheter. Den korrekte gjenoppretning av amplituden av en fallende bølge fra det mottatte signal vil således kreve nøyaktig matematisk analyse (det er mulig å løse dette problemet for en fast geometri og kjente bølgehastigheter). For å unngå disse komplikasjonene i analyse på figurene 10 og 11, kan det andre refraksjonsmedium være en væske som tidligere forklart. Skjæringsbølger i væsker dør ut meget raskt, og tillater således nøyaktige målinger av amplituden av longitudinale bølger i stenmassen.

Når noen sprekkprosesser skjer i en aktiv sone av en stenmasse, vil bølger bli

generert. Amplituden av faste signaler i tre tilstrekkelig fjerne målere sammen med målte forsinkelsestider tillater finning av lokaliteten av kilden og et estimat for intensiteten av sprekkingen. Undersøkelse av historien for sprekkprosessen i sonen under studien er en fundamental vitenskapelig måte for å forutsi farlige stenanslag og jordskjelv.

Figurene 6 til 11 gir således et middel for å motta, ved hjelp av spenningsmålere basert på bølgemekanikkprinsippene, informasjon om sprekkforplantningsprosesser i en stenformasjon som gir basis for en analyse av spenningsomfordeling og energiansamling i en sannsynlig kilde for et farlig jordskjelv eller mulig kilde for et stenanslag.

Claims (12)

1. Apparat (101) som passer for å måle mekaniske egenskaper eller karakteristikker for et skjørt materiale eller struktur (102), karakterisert ved at apparatet (101) omfatter et Hopkinson-stang- eller trykkstangsystem (103, 104) omfattende en inngangs-stangbunt (103) og en utgangs-stangbunt (104), hvor hver bunt omfatter et antall parallelle stenger (103 a, 104a), hver utstyrt med instrumentering for å måle verdier av skjærbølge eller skjærsprekkforplantning i et skjørt materiale eller struktur under test, plassert under bruk mellom inngangs- og utgangs-stangbuntene (103, 104).

2. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved at det har en anordning for å plassere stangbuntene (103, 104) og således materialstrukturen under test i kompresjon i en retning langs aksen for stangbuntene.

3. Apparat ifølge foregående krav, karakterisert ved at hver stang har instrumentering (s<1>) for å måle forholdet spenning/deformasjon i et spesielt område av materialet eller strukturen under test, i tillegg til å måle verdier av absorbert energi når materialet eller strukturen sprekker under testing, så vel som verdier av skjærbølge-forplantning med en kjent komponent av kompresjonsspenning i et sprekkplan, idet instrumenteringen kan måle skjær-sprekker som begynner fra et eller annet punkt på materialprøven eller strukturen, dvs for punkter på overflaten eller i materialprøven eller strukturen.

4. Apparat (201) ifølge foregående krav, karakterisert ved at hver stang (203a, 204a) er utstyrt med en anordning for å måle hastigheten av en skjærsprekkforplantning hvor materialet eller strukturen under test er plassert i "ren skjæring" og fortrinnsvis, i hvilken stengene (203a, 204a) er brukt som mottakere for spenningsbølger og således for den energi som er utløst av sprekkforplantningen, at hver stangbunt (303, 304) er innrettet til å måle forholdet spenning/deformasjon i materialet eller strukturen under test i tillegg til å måle verdien av energiabsorpsjon under deformasjon av materialet eller strukturen, og hastigheten av skjærbølgeforplantningen i denne under forhold med styrt "hydrostatisk" trykk, en anordning er innrettet til å plassere Hopkinson-stangbuntene (103, 104) og materialstrukturen (101) under test i strekk, hvor hver stang er utstyrt med instrumentering (s<1>) for å måle forholdet spenning/deformasjon i et spesielt område av materialet eller strukturen, verdier av absorbert energi under sprekkprosessen og verdier av longitudinal bølgeforplantning inne i materialet eller strukturen, eller et apparat (101) egnet for å undersøke sprekkprosesser i plastmaterialer ved sprekkutvikling.

5. Apparat ifølge krav 1, karakterisert ved at det omfatter instrumentering for å måle det følgende kompleks av deformasjonskarakteristikker i skjøre materialer, forholdet spenning/deformasjon og energiabsorpsjon i materialet eller strukturen under test under deformasjonsprosessen, omfattende under den fallende del av belastningen, i forhold med enkel spenningstilstand (f.eks. strekk eller kompresjon) og i forhold med kompleks spenningstilstand (f.eks. under hydrostatisk trykk) og nøyaktige målinger av forplantningshastigheter for både longitudinal- og skjærbølger under slike forhold, og fortrinnsvis i hvilke stengene har brukt mottakere av spenningsbølger og således av energi utløst ved sprekk- eller fraktur-forplantning gjennom materialet eller strukturen.

6. Fremgangsmåte for å måle mekaniske egenskaper av karakteristikker for skjøre materialer eller strukturer (102), karakterisert ved at den omfatter plassering av et Hopkinson-stang- eller trykkstangsystem (103, 104), omfattende en inngangsstangbunt (103) og en utgangsstangbunt (104), under belastning, og således plassere et skjørt materiale eller struktur (102) plassert under bruk mellom inngangs- og utgangsstangbuntene (103, 104) under belastning, og å måle verdier av skjærbølge eller skjærsprekkforplantning i det skjøre materialet eller struktur fra instrumentering anordnet på et antall parallelle stenger (103a, 104a), som hver danner stangbunten (103, 104), og fortrinnsvis i hvilken stangbuntene (103, 104) og de skjøre materialer eller strukturen (102) er plassert i kompresjon.

7. Måleapparat (600), karakterisert ved at det omfatter minst en måler (600) innrettet til under bruk å måle bølgeeffekter generert i en struktur (R), f.eks. en geologisk struktur så som en stenformasjon, hvor måleren (600) eller målerne har måleinstrumentering (602) for å måle verdier av skjærbølger eller skjær-sprekkforplantning i strukturen.

8. Apparat (500) ifølge krav 7, karakterisert ved at måleren er en stang (500) festet under bruk på overflaten (ri) av strukturen (R) slik at måleren (500) vil motta en longitudinal bølge, og fortrinnsvis i hvilken stangmåleren (500) er instrumentert til å måle informasjon angående longitudinale bølger generert i strukturen og/eller i hvilken måleinstrumenteringen av stangmåleren (700) omfatter et sert målere (502, 602, 702) festet på stangen (700) i forskjellige retninger for å tillate deling av informasjonen i intensiteter av longitudinale og skjærkomponenter av ankommet forstyrrelse, og/eller i hvilken stangmåleren (800) er, under bruk, anordnet til å motta et forsterket signal av bølgeeffekter generert i strukturen, og fortrinnsvis i hvilken en reflekterende og/eller refrakterende del av systemet eller anordningen er brukt til å forsterke signalet.

9. Apparat (800) ifølge krav 8, karakterisert ved at det har et reflekterende system i hvilket måleren (800) er plassert under bruk, i et rørformet hull (ri) anordnet sentralt i en generelt konveks overflate (r2) skåret eller utformet i strukturen (R) under test.

10. Apparat (900, 1000) ifølge krav 8, karakterisert ved at det har et refrakterende forsterkersystem omfattende en generelt konisk form av materialet (900, 1000) som strekker seg mellom en ende av stangmåleren (900, 1000) og en passende formet overflate av strukturen (R), og i hvilken strukturens overflate (902) er konkav og hastigheten av lydbølgene (C2) i konematerialet (901) er større enn hastigheten av lydbølgene (Ci) i materialet av strukturen (R) eller i hvilken strukturens overflate (1002) er konveks og hastigheten av lydbølgene (C2) i det koniske materiale (1001) er mindre enn hastigheten av lydbølgene (Ci) i materialet i strukturen (R), og fortrinnsvis i hvilket materialkonen (901, 1001) omfatter en væske som et refrakterende materiale inne i en gummi- eller plastbeholder, eller lignende, fortrinnsvis med en tynn vegg.

11. Apparat (101, 500, 600, 700, 800, 900, 1000) ifølge krav 1-5 eller 7-10, karakterisert ved at tre målere (500, 800) er plassert i gjensidig rett vinkel med hverandre på et sted under undersøkelse.

12. Fremgangsmåte for å måle verdier av en skjærbølge eller skjærsprekk-forplantning i en struktur (R), karakterisert ved å bruke et måleapparat (800) bestående av minst en måler (800) innrettet til å måle bølgeeffekter generert i strukturen (R), f.eks. en geologisk struktur så som en stenformasjon.