PL212628B1 - Uklad do diagnozowania stanu technicznego, betonowych konstrukcji zbrojonych i sprezonych - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest układ do diagnozowania i/lub monitorowania stanu technicznego nośnych betonowych konstrukcji zbrojonych i sprężonych.

Wynalazek dotyczy wykrywania, lokalizacji i klasyfikacji aktywnych uszkodzeń oraz oceny stanu technicznego żelbetowych i sprężonych konstrukcji obiektów infrastruktury drogowej a także żelbetowych i sprężonych konstrukcji innych obiektów budowlanych.

Obecnie stan techniczny betonowych obiektów budowlanych ustala się na podstawie okresowych inspekcji wizualnych, opinii technicznych lub ekspertyz.

Metody wizualne pozwalają na wykrycie uszkodzeń tylko widocznych na powierzchni i dotyczą obszarów zauważonych przez człowieka. W rezultacie klasyfikacja stanu technicznego obiektu na podstawie tych badan zależy od doświadczenia inspektora i jest w znacznym stopniu subiektywna.

Natomiast w ekspertyzach i opiniach technicznych wykorzystuje się różne metody, w tym nieniszczące metody pomiaru (NDT) np. akustyczne, promieniami X itp. Metody te ujawniają uszkodzenia w określonym obszarze, którego wielkość wynika z charakterystyki zastosowanej metody (np. obszar objęty wiązką fal ultradźwiękowych w metodzie ultradźwiękowej). Tym samym uzyskane wyniki dotyczą tylko niewielkiej części konstrukcji i brak jest pewności, że wykryte uszkodzenia stanowią największe jej zagrożenie, zwłaszcza, że szereg miejsc trudnodostępnych pozostaje poza kontrolą. Ponadto, obecnie stosowane metody wykrywają uszkodzenia istniejące, a tym samym, nie można ich stosować do śledzenia rozwoju uszkodzeń konstrukcji „in situ”, co jest bardzo istotne przy zmiennym (dynamicznym) obciążeniu obiektów.

Z patentu US 4.535.629, znany jest układ zawierający czujniki akustyczne umieszczone liniowo wzdłuż powierzchni elementów mostowych i połączone z mikroprocesorem. Układ ten dotyczy mostów stalowych, zaś obszar pomiaru jest obszarem pomiędzy dwoma czujnikami akustycznymi. Przy tego rodzaju układzie trzeba więc przewidzieć miejsce występowania wady i brak jest pewności, że wykryte z góry w określonym miejscu uszkodzenia, stanowią największe zagrożenie konstrukcji. Metoda ta oparta jest na pomiarze dwóch parametrów sygnału akustycznego - mocy i częstości występowania sygnału w określonym czasie. Podstawowym celem metody jest śledzenie rozwoju zmęczeniowych pęknięć.

Znany jest również z polskiego zgłoszenia wynalazku PL 381 454 sposób diagnozowania stanu technicznego obiektów mostowych, wykorzystujący zjawisko emisji akustycznej polegający na tym, że piezoelektryczne rezonansowe czujniki emisji akustycznej, łączy się z wielokanałowym procesorem emisji akustycznej zintegrowanym z procesorem komputera, w którym rejestruje się parametry emisji akustycznej i dokonuje ich filtracji ze względu na zadane kryteria. Czujniki umieszcza się liniowo wzdłuż osi, na dolnej powierzchni belek mostowych a odległość między czujnikami wynosi około 1,5 m oraz także liniowo wzdłuż słupów i oczepów. Rozwiązanie to podobnie jak rozwiązanie ze wskazanego amerykańskiego opisu patentowego nie obrazuje całego obszaru zagrożenia badanego obiektu.

Celem wynalazku jest opracowanie układu do diagnozowania i monitorowania stanu technicznego, betonowych konstrukcji zbrojonych i sprężonych umożliwiającego dokładne monitorowanie i diagnozowanie stanu technicznego obiektów na podstawie procesów destrukcyjnych, jakie zachodzą w całym obiekcie (lub w jego elementach), w czasie jego użytkowania.

Do opracowania wynalazku wykorzystano technikę pomiarową jaką jest pomiar emisji akustycznej. Sygnały akustyczne generowane przez procesy destrukcyjne, rozwijające się podczas użytkowania konstrukcji nośnych są rejestrowane, lokalizowane a następnie klasyfikowane. Podstawą oceny stopnia zagrożenia konstrukcji jest klasyfikacja sygnałów a lokalizacja źródeł emisji akustycznej umożliwia określenie miejsca i rozległości każdej klasy uszkodzeń. Kryteria klasyfikacji wynikają z poziomu zagrożenia, jakie dla konstrukcji stanowią aktywne procesy destrukcyjne.

Pojęcie emisja akustyczna określa fale sprężyste generowane przez procesy destrukcyjne prowadzące do obniżenia energii wewnętrznej monitorowanego elementu konstrukcji. Wykorzystywany w analizie sygnał AE jest sygnałem dyskretnym, generowanym w paśmie kilkudziesięciu kHz do 1,5 MHz, którego czas trwania wynosi od kilku do kilkuset μsec. Charakteryzuje go kilkanaście parametrów. Parametry sygnału niosą informacje o źródle AE, a pośrednio o procesie destrukcyjnym, który generuje sygnały.

Układ do diagnozowania i/lub monitorowania stanu technicznego nośnych, betonowych konstrukcji zbrojonych i sprężonych, zawierający czujniki emisji akustycznej połączone bezpośrednio lub poprzez przedwzmacniacz z procesorem emisji akustycznej, który połączony jest z komputerem, chaPL 212 628 B1 rakteryzuje się tym, że wzajemna odległość sąsiadujących ze sobą czujników emisji akustycznej jest nie większa od podwójnego promienia, w zasięgu którego tłumienie sygnału akustycznego wynosi nie więcej niż 10 dB, zaś miejsca rozmieszczenia czujników emisji akustycznej (AE1, AE2) na powierzchni wzorca lub obiektu kontrolowanego są zdeterminowane kształtem i rozmiarem wzorca lub obszaru kontrolowanego obiektu, przy jednoczesnym zachowaniu warunku pomiaru sygnału w całej objętości wzorca lub obszaru obiektu kontrolowanego.

Układ według wynalazku pozwala na dokonywanie pomiarów, na podstawie których można przeprowadzić ocenę stanu technicznego obiektu, określenie aktywnych procesów destrukcyjnych, lokalizację najbardziej niebezpiecznych uszkodzeń aktywnych, ocenę stanu obiektu poddanego naprawie, obciążeniu ponadnormatywnemu, czy też ograniczenie obciążenia dopuszczalnego (np. na moście drogowym), ocenę wpływu warunków eksploatacji na rozwój procesów destrukcyjnych, ocenę wpływu czynników zewnętrznych na destrukcję, przy równoczesnym pomiarze parametrów zewnętrznych.

Znając położenie czujników można określić i zlokalizować aktywne procesy destrukcyjne w konstrukcji i śledzić ich rozwój oraz częstotliwość ich występowania. Można także śledzić wygasanie procesów destrukcyjnych, przemieszczanie się obszarów destrukcji w konstrukcji, a także tworzenie nowych obszarów destrukcji.

Układ przeznaczony jest do monitoringu eksploatowanych obiektów infrastruktury drogowej wykonanych z betonów zbrojonych i sprężonych oraz innych konstrukcji nośnych obiektów budowlanych wykonanych w tej technologii. Układ może być również stosowany do oceny rozwoju uszkodzeń w prototypowych konstrukcjach i elementach konstrukcji wykonanych z betonów zbrojonych i sprężonych podczas obciążeń próbnych. Układ może być stosowany także w badaniach rozwiązań prototypowych lub w badaniach kontrolnych seryjnego produktu, które prowadzi się podczas zaprogramowanego obciążenia.

Wynalazek w przykładach wykonania przedstawiony jest na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia układ do diagnozowania i/lub monitorowania stanu technicznego nośnych, betonowych konstrukcji zbrojonych i sprężonych zawierający przykładową ilość czujników AE1 zintegrowanych z przedwzmacniaczami, Fig. 2 przedstawia równoważny układ do diagnozowania zawierający przykładową ilość czujników AE2, nie zintegrowanych z przedwzmacniaczami, Fig. 3 przedstawia strefę pomiarową w postaci czaszy kulistej o promieniu „a”, Fig. 4 przedstawia obszary pomiarowe sąsiadujących ze sobą czujników AE1 dla elementu o przekroju prostokąta (a >> g), w widoku z przodu, Fig. 5 przedstawia obszary pomiarowe sąsiadujących ze sobą czujników AE1 dla elementu o przekroju prostokąta (a >> g), w przekroju pionowym A-A, Fig. 6 przedstawia obszary pomiarowe przykładowych czujników AE2 dla elementu o przekroju prostokąta gdzie g>a. Fig. 7 przedstawia element o przekroju prostokąta w widoku z przodu na którym rozmieszczono przykładowo czujniki pomiarowe AE1 w osi powierzchni dolnej, w odległości d<2a i pokazano obszary pomiarowe które zachodzą na siebie tworząc strefy pomiarowe. Fig. 8 przedstawia ten sam element w przekroju pionowym A-A, Fig. 9 przedstawia czujniki AE2 o numerach umieszczone w osi powierzchni bocznej elementu o przekroju prostokąta (a >> g) przedstawionego na Fig. 7 i 8, Fig. 10 przedstawia przekrój A-A tego elementu, Fig. 11 przedstawia przykładowy układ wykorzystywany przy tworzeniu bazy danych, w którym czujniki zintegrowane są z przedwzmacniaczem, Fig. 12 przedstawia przykładowy układ wykorzystywany przy tworzeniu bazy danych, w którym czujniki połączone są z przedwzmacniaczem, Fig. 13 przedstawia element o przekroju prostokąta (a >> g) z czujnikami AE1 na powierzchni bocznej, których strefy pomiarowe pokrywają całą objętość elementu, Fig. 14 przedstawia przekrój A-A elementu jak na Fig. 13, Fig. 15 przedstawia ten sam element z czujnikami AE1 umieszczonymi na powierzchni dolnej, zaś Fig. 16 przedstawia przekrój A-A tego elementu, Fig. 17 przedstawia widok fragmentu badanej belki mostu z usytuowanymi na niej czujnikami AE2 Fig. 18 przedstawia tę samą belkę w przekroju A-A z zaznaczoną strefą pomiarową, Fig. 19 przedstawia ścianę oporową z rozmieszczonymi na niej czujnikami AE2 Fig. 20 przedstawia przekrój A-A ściany oporowej jak na Fig. 19, Fig. 21 przedstawia tabelę klasyfikacji sygnałów i ich oznaczenie, Fig. 22 przedstawia przykładowe rozmieszczenie stref pomiarowych na belce, Fig. 23, Fig. 24, Fig. 25 i Fig. 26 przedstawiają przykładowe sygnały emisji akustycznej zarejestrowane w wybranych strefach pomiarowych, zaś Fig. 27 przedstawia strefy pomiarowe na belce pod obciążeniem eksploatacyjnym z wpisanymi numerami klas sygnałów akustycznych.

W przykładzie wykonania wzorcowe bazy danych generowane są przez procesy destrukcyjne, jakie mogą być aktywne w czasie użytkowania konstrukcji, w których występują jeden lub więcej procesów destrukcyjnych równocześnie. W przypadku betonowych konstrukcji żelbetowych i sprężonych można wyróżnić między innymi takie procesy destrukcyjne jak mikropękanie, tarcie pomiędzy po4

PL 212 628 B1 wierzchniami pęknięć, powstawanie i rozwój rys w betonie, pękanie na granicy beton zbrojenie, kruszenie betonu, tarcie na granicy beton-zbrojenie, korozja, odkształcenia plastyczne i pękanie kabli oraz innych wzmocnień. Procesy te są rejestrowane przez układ według wynalazku.

Przykładowo „pękaniu na granicy beton - wzmocnienie” odpowiada baza danych grupująca wybrane parametry (ponad 2) sygnału i przypisana temu procesowi.

Bazy danych dla poszczególnych procesów (czy ich grup) wyznaczane są na próbkach materiałowych i modelach w specjalnych próbach laboratoryjnych (gdzie dominuje dany proces destrukcyjny czy grupa procesów) oraz na pełnowymiarowych elementach konstrukcji podczas prób wytrzymałościowych oraz podczas eksploatacji obiektów. Na Fig. 11 pokazano przykładowo badaną w laboratorium belkę 6 wraz z czujnikami AE1 umieszczonymi w osi powierzchni dolnej, obciążoną pionową siłą P podczas tworzenia bazy sygnałów wzorcowych. Czujniki AE1 wyposażone w przedwzmacniacze, podłączone są do procesora 3, gdzie sygnały akustyczne grupowane są według co najmniej trzech parametrów, a następnie tak zapisane sygnały są przekazywane do komputera 4, gdzie zapisywane są w bazie wzorcowej.

W przypadku rozmieszczenia czujników AE1 w odległości „d” (gdzie d<2a) obszary pomiarowe czujników zachodzą na siebie tworząc strefy pomiarowe czujników. Strefą pomiarową czujnika jest obszar w którym odległość dowolnego punktu „e do danego czujnika jest mniejsza lub równa „a” i nie większa aniżeli do czujników pozostałych. Przykładowo, na Fig. 7 w strefie pomiarowej czujnika nr 1, w dowolnym punkcie e strefy pomiarowej: e₁<e₂<e₃<e₄<a.

Czujniki AE1 należy rozmieścić tak by strefy pomiarowe czujników pokryły całą objętość badanego elementu lub badanego obszaru.

W przypadku elementu o przekroju prostokąta (gdzie g<a) i równym rozstawieniu czujników AE1 na powierzchni bocznej jak na Fig. 13, strefy pomiarowe czujników pokrywają całą objętość elementu o wysokości h gdzie

(1)

Natomiast w przypadku rozstawienia czujników w osi powierzchni dolnej jak na Fig. 15, strefy pomiarowe czujników pokrywają całą objętość elementu o wysokości h gdzie h - (¼)² - (^d/₂)²) (2)

Zależności (1) i (2) pozwalają także na określenie maksymalnego rozstawu czujników dmax dla elementu o zadanej wysokości h i grubości g.

W ten sposób można pokryć strefami pomiarowymi całą objętość elementu o przekroju prostokąta o dowolnej wysokości i dowolnej długości rozstawiając czujniki jak na Fig. 13 dla grubości g<a, lub dla grubości 2a>g>a rozstawiając czujniki na obu powierzchniach bocznych. Jak również dla elementu o dowolnej szerokości i dowolnej długości rozstawiając czujniki jak na Fig. 15 dla wysokości h<a, lub dla wysokości 2a>h>a rozstawiając czujniki w osi powierzchni dolnej i górnej.

Podczas pomiarów należy zabezpieczyć sprzężenie akustyczne czujników AE1 z konstrukcją. Odbierany przez czujniki AE1 sygnał akustyczny jest wzmacniany, a jego parametry (których jest kilkanaście) rejestrowane w postaci cyfrowej. Do podstawowych parametrów sygnałów emisji akustycznej zalicza się amplitudę, czas trwania, czas narastania, energię, liczbę zliczeń, liczbę zdarzeń.

Wybrane parametry sygnałów emisji akustycznej, których według wynalazku musi być więcej aniżeli dwa, są podstawą ich klasyfikacji ze względu na zadane kryteria.

Sygnały emisji akustycznej klasyfikowane są metodą, w której wykorzystywane są bazy danych sygnałów wzorcowych generowanych przez znane procesy destrukcyjne występujące podczas eksploatacji obiektów.

Sygnały emisji akustycznej odbierane przez czujniki porównywane są z parametrami wzorcowymi zgromadzonymi w bazie danych i na tej podstawie definiowany jest proces lub procesy je wywołujące. Zgrupowane w ponumerowanych klasach informują o określonych procesach destrukcyjnych i równocześnie o poziomie zagrożenia konstrukcji w warunkach jej pracy.

Lokalizacja źródła sygnału emisji akustycznej, przypisanie sygnału do danej strefy pomiarowej, wykonywana jest na podstawie pomiaru różnic w czasie dotarcia tego samego sygnału źródła emisji akustycznej do czujników. W przypadku przedstawionym na Fig. 7 sygnał z punktu „e” szybciej dotrze do czujnika AE1.1 aniżeli do czujników o numerach AE1.2, AE1.3 i AE1.4 (po zarejestrowaniu sygnaPL 212 628 B1 łu przez czujnik nr AE1.1 aparatura automatycznie odcina pomiar w czujnikach o numerach AE1.2, AE1.3 i AE 1.4) i zostanie przypisany do obszaru pomiarowego czujnika nr AE1.1.

Monitoring może być prowadzony w jednym z dwu systemów: globalnym obejmującym całość konstrukcji nośnej lub punktowym, w którym badaniu podlega wybrany obszar konstrukcji, najbardziej narażony lub w którym nastąpiło uszkodzenie.

Monitoring konstrukcji prowadzony jest w warunkach normalnej eksploatacji.

Czas monitoringu konstrukcji zależy od decyzji właściciela obiektu.

Po utworzeniu bazy danych analogiczny układ pomiarowy wykorzystuje się do przeprowadzania badań na obiekcie, w którym zachodzą procesy destrukcyjne.

W drugim przykładzie wykonania przedstawionym na Fig. 12 wykorzystano równoważny układ w którym czujniki AE2 połączone są z przedwzmacniaczami 5 i połączone przez procesor 3 z komputerem 4. Pozostałe czynności związane z tworzeniem bazy wzorcowej i diagnozowaniem obiektu kontrolowanego są takie same jak w przykładzie pierwszym.

Przykładowo sposób według wynalazku zastosowano do oceny stanu technicznego dwuprzęsłowego mostu o rozpiętości przęseł 25,65 m i szerokości 9,96 m. Konstrukcja pomostu została wykonana z belek sprężonych typu „KUJAN”.

Właściwe badanie prowadzono pod obciążeniem mostu wynikającym z ruchu ulicznego. Natężenie ruchu występujące na tym obiekcie w trakcie realizacji badań wynosiło około 1200 pojazdów na godzinę.

Badaniom według wynalazku poddano dwie belki w każdym przęśle rozmieszczając czujniki AE2 w osi dolnej powierzchni belki (Fig. 17).

Doświadczalnie sprawdzono, iż dla tego materiału promień strefy pomiarowej „a” = 100 cm. Odległość między czujnikami AE2 musi być tak dobrana, by strefy pomiarowe czujników objęły całą objętość belki tj. jej przekrój poprzeczny i wzdłużny. Biorąc pod uwagę kształt przekroju belki określono maksymalny rozstaw czujników dmax = 155 cm. W zastosowaniu przykładowym przyjęto rozstaw czujników d = 110 cm.

Stąd na dolnej powierzchni belek rozmieszczono liniowo 11 piezoelektrycznych czujników rezonansowych w odległości 110 centymetrów tworząc na każdej belce 11 stref pomiarowych (Fig. 22).

Wygładzono i oczyszczono z kurzu miejsca, w których umocowano czujniki, a ich metalowe uchwyty zostały przyklejone do powierzchni badanego elementu. Sprzężenie akustyczne czujników z konstrukcją zapewnia warstwa smaru silikonowego pomiędzy czujnikiem a mierzonym obiektem.

Czujniki połączono z przedwzmacniaczami 5 a następnie z wielokanałowym procesorem 3 emisji akustycznej, przy czym długość kabla pomiędzy przedwzmacniaczem 5, a czujnikiem AE2 nie przekraczała 1 metra.

Po rozmieszczeniu czujników AE2 i dokonaniu wszelkich ustawień sprzętowych sprawdzono dokładność aparatury pomiarowej, wywołując kontrolowane źródło emisji akustycznej poprzez łamanie grafitu ołówka w odległości 5 cm od każdego czujnika.

Jeżeli wartości amplitudy wywołanych w ten sposób sygnałów akustycznych na poszczególnych czujnikach różnią się o więcej niż 3 dB należy skontrolować poprawność zamocowania czujników, połączenia czujnik - przedwzmacniacz - komputer oraz poprawność działania czujników.

Ustalono wartość progu (threshold) na poziomie gwarantującym wyeliminowanie niepożądanych szumów otoczenia.

Do wyznaczania parametrów sygnałów emisji akustycznej zastosowano oprogramowanie wielokanałowego systemu emisji akustycznej, który obejmuje: program rejestrujący parametry sygnałów emisji akustycznej, program umożliwiający filtrację uzyskanych wyników ze względu na zadane kryteria, program umożliwiający lokalizację źródeł emisji akustycznej oraz interfejs graficzny służący do wizualizacji wyników pomiarów.

Sygnały emisji akustycznej zostały sklasyfikowane metodą rozpoznawania obrazów z wykorzystaniem wcześniej utworzonej bazy danych sygnałów wzorcowych generowanych przez procesy destrukcyjne występujące podczas eksploatacji żelbetowych i sprężonych obiektów w postaci mikropęknięć w betonie na granicy frakcji kruszywa o małych wymiarach (Φ < 2 mm) i zaprawy cementowej, mikropęknięć w betonie na granicy frakcji kruszywa o małych i średnich wymiarach (Φ < 8 mm), powstania i rozwoju rys w strefie rozciąganej betonu, rozwoju rysy oraz tarcia na granicy frakcji kruszywa o dużych wymiarach (Φ = 8 * 16 mm), pękania na granicy beton - zbrojenie, uplastycznienia stali i betonu, odspojenie się zbrojenia od betonu, zerwania splotów sprężających.

PL 212 628 B1

Sygnały, których numery odpowiadają w/w procesom destrukcyjnym, zostały sklasyfikowane na podstawie 12-stu parametrów sygnału przypisując im symbole oraz numery klas pokazane na Fig. 21 (np. klasa nr 1 - Mikropęknięcia w betonie na granicy frakcji kruszywa o małych wymiarach i zaprawy cementowej).

Pojawienie się sygnałów Klasy Nr 3 (powstanie i rozwój rys w strefie rozciąganej betonu) świadczy o rozwijaniu się procesów będących zagrożeniem dla konstrukcji, natomiast sygnałów Klasy Nr 4, Nr 5, Nr 6, Nr 7 i Nr 8 świadczy o rozwijaniu się procesów już niebezpiecznych dla konstrukcji.

Na Fig. 22 przedstawiono rozmieszczenie stref pomiarowych, a na Fig. 23 do Fig. 26 przedstawiono wyniki pomiarów dla wybranych stref pomiarowych (Z-1, Z-2, Z-7, Z-8). Symbole, rejestrowanych w poszczególnych strefach pomiarowych klas sygnałów pokazano w funkcji moc sygnału - czas pomiaru.

Na podstawie przeprowadzonej analizy wyznaczono obszary o podwyższonej aktywności, generujących sygnały emisji akustycznej. Na Fig. 27 przedstawiono strefy pomiarowe z wpisanymi numerami występujących w nich klas sygnałów akustycznych, a intensywnością zaciemnienia zaznaczono stan zagrożenia w poszczególnych strefach.

Obszarami zagrożonymi są strefy gdzie występują sygnały Klasy 3, niebezpiecznymi są strefy gdzie występują sygnały Klasy 4, generowane przez proces destrukcyjny określony jako „rozwój rys. oraz tarcie na granicy frakcji kruszywa o dużych wymiarach”.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   Układ do diagnozowania i/lub monitorowania stanu technicznego nośnych, betonowych konstrukcji zbrojonych i sprężonych, zawierający czujniki emisji akustycznej połączone bezpośrednio lub poprzez przedwzmacniacz z procesorem emisji akustycznej, który połączony jest z komputerem, znamienny tym, że wzajemna odległość sąsiadujących ze sobą czujników emisji akustycznej (ΑΕ1, AE2) jest nie większa od podwójnego promienia, w zasięgu którego tłumienie sygnału akustycznego wynosi nie więcej niż 10 dB, zaś miejsca rozmieszczenia czujników emisji akustycznej (ΑΕ1, AE2) na powierzchni wzorca lub obiektu kontrolowanego są zdeterminowane kształtem i rozmiarem wzorca lub obszaru kontrolowanego obiektu, przy jednoczesnym zachowaniu warunku pomiaru sygnału w całej objętości wzorca lub obszaru obiektu kontrolowanego.