ZASTOSOWANIE METODY IMPACT-ECHO W NIENISZCZĄCEJ DIAGNOSTYCE KONSTRUKCJI BETONOWYCH

Transkrypt

1 Katarzyna Krzemień - I rok, studia II stopnia Koło Naukowe Konstrukcji Żelbetowych Conkret Politechnika Krakowska Opiekun naukowy referatu dr inż. Izabela Hager ZASTOSOWANIE METODY IMPACT-ECHO W NIENISZCZĄCEJ DIAGNOSTYCE KONSTRUKCJI BETONOWYCH APPLICATION OF THE IMPACT-ECHO METHOD IN NON-DESTRUCTIVE DIAGNOSIS OF CONCRETE STRUCTURES 1. Wprowadzenie Jak pokazują statystyki [1, 2] w ciągu swojego istnienia obiekty budowlane wielokrotnie narażane są na działanie ekstremalnych warunków jak również czynników o charakterze korozyjnym. Czynniki te mają negatywny wpływ na materiały konstrukcyjne, pogarszając ich właściwości mechaniczne i fizyczne, co powoduje w znacznym stopniu ograniczenie trwałości obiektu budowlanego. Materiałem doznającym uszkodzeń w konstrukcjach żelbetowych wskutek działania ww. czynników jest beton. Poprawnie zrealizowane badania materiałowe pozwalają na określenie zasięgu uszkodzeń, ale również umożliwiają ocenę wytrzymałości mechanicznej. W wielu przypadkach decyzja o ewentualnym wyburzeniu obiektu lub też o jego naprawie opiera się na badaniach materiałowych, które stanowią dane wejściowe dla inżynierskich modeli obliczeniowych. Tradycyjne metody diagnostyki konstrukcji wymagają pobrania serii próbek, najczęściej w postaci rdzeni wycinanych z elementów konstrukcyjnych. Wyniki otrzymane za pomocą metod niszczących (test ściskania, rozciągania) lub częściowo-niszczących (pull out, pull off) reprezentują zatem jedynie stan konstrukcji w badanych punkcie. Problemy te są w pełni rozwiązane przy zastosowaniu, ostatnio bardzo popularnych, nieniszczących metod badań stanu konstrukcji (NDT), które mogą stanowić praktyczne uzupełnienie informacji otrzymanych przy użyciu metod tradycyjnych. W nieniszczącej diagnostyce obiektów betonowych wykorzystuje się między innymi odmiany metod impulsowych: od wielu lat znaną metodę ultradźwiękową [3, 4, 5] oraz mało rozpowszechnioną w Polsce metodę młoteczkową, zwaną metodą impact-echo (IE). 2. Podstawy metody impact-echo Metoda młoteczkowa została opracowana w latach osiemdziesiątych XX wieku w National Institute of Standards and Technology i Cornell University, USA i nazwana metodą impact-echo. Metoda ta jest dobrze rozwinięta w tym kraju, posiada zamocowanie normatywne ASTM [6], jednak w Polsce nadal nie jest dobrze znana. Opiera się ona na obserwacji i rejestracji sposobu propagacji fal sprężystych w badanym ośrodku. Impulsem generującym fale sprężystą jest stalowa kulka o średnicy od 3 do 20 mm, której uderzenie pozwala osiągnąć impuls o odpowiedniej częstotliwości oraz odpowiedni zakres mierzalnych grubości elementu, Tabl. 1.Do lokalizacji wad w elemencie betonowym (m. in. nieciągłości w strukturze materiału, pustki powietrzne, rysy powierzchniowe) wykorzystuje się zjawisko zachodzące na granicy ośrodków o różnej impedancji akustycznej [7], Tabl.2.

2 Kiedy fala sprężysta pada na granicę ośrodków o różnych impedancjach akustycznych (np. beton-powietrze), ulega odbiciu, zmieniając fazę drgań. Tabela 1. Maksymalne częstotliwości i minimalne głębokości w zależności od zastosowanej średnicy kulki [8] Średnica [mm] Maksymalna osiągalna częstotliwość [khz] Minimalna mierzalna głębokość [cm] , , , , ,4 Tabela 2. Wartości impedancji akustycznych dla różnych materiałów [9] Impedancja akustyczna [kg m -2 s -1 ] powietrze 0,4 stal 0, beton woda Impuls mechaniczny generuje fale podłużne (P), fale poprzeczne (S) wnikające w głąb przekroju oraz fale powierzchniowe Rayleigha (R), które rozchodzą się powierzchniowo od punktu wzbudzenia, Rys.1. W pobliżu miejsca generacji impulsu umieszczony jest przetwornik, który rejestruje przemieszczenia powierzchni płyty wywołane dotarciem do powierzchni odbitych fal P, Rys. 2a. Rys. 1. Fale typu R, P i S wywołane impulsem na powierzchni płyty [10]. Parametrem, który dostarcza informacje o kondycji elementu betonowego jest częstotliwość f fali P docierającej do przetwornika. Określona jest ona przez przekształcenie z zapisanego w dziedzinie czasu sygnału (Rys. 2b) w dziedzinę częstotliwości (Rys. 2c) za pomocą szybkiej transformacji Fouriera (p.4.1). a) b) c) Częstotliwość odbicia f Rys. 2. Zasada analizy częstotliwości: a) schemat odbicia fali [11], b) przebieg amplitudy w dziedzinie czasu [11], c) spektrum częstotliwościowe sygnału - maksymalna amplituda odpowiada grubości elementu lub głębokości położenia wady [7]. Częstotliwości odpowiadające pikowi amplitudy na wykresie spektrum odpowiadają dominującym częstotliwością w całym przebiegu impulsu. Jeśli prędkość C p fali P w badanym obiekcie jest znana, a częstotliwość odbicia fali od wewnętrznego defektu lub dolnej powierzchni oznaczymy jako f, to głębokość wewnętrznej wady (pustki, nieciągłości struktury, rysy powierzchniowej) lub grubość płyty D można wyznaczyć jako: (1)

3 Prędkość C p propagacji fal sprężystych P w badanym materiale także określa się przy użyciu metody IE. Najbardziej rozpowszechnioną metodą jest bezpośredni pomiar powierzchniowy przejścia czoła fali [7] (Rys. 3). Mierzy się w niej czas przejścia czoła fali między dwoma piezoelektrycznymi czujnikami ustawionymi w znanej odległości L od siebie (najczęściej 300mm). Prędkość C p ustala się jako iloraz drogi do czasu: L t 2 - t 1 (2) Rys. 3. Bezpośredni sposób pomiaru prędkości fali podłużnej C p [7] 3. Zastosowanie metody impact-echo W diagnostyce konstrukcji żelbetowych metoda impact-echo została dotychczas wykorzystana przez niewielu badaczy. Prekursorami metody impact-cho w 1986r. był zespół M. SANSALONE i N.J. CARINO. Przeprowadzone wówczas badania płyt betonowych miały na celu zlokalizowanie nieciągłości w strukturze materiału [12, 13]. Późniejsze badania M. SANSALONE i N.J. CARINO skupiły się na analizie sygnałów rejestrowanych w metodzie impact-echo [9]. Od tej pory metoda IE została wykorzystana w szerszym stopniu. W 1998 r. zespół SA NS ALO NE [14] na podstawie czasu przejścia fali sprężystej i naprężeń generowanych przez impuls, opracował metodę określania głębokości rys powierzchniowych. W 2007r. C.B. AK TAŞ [8] opisał sposób lokalizacji miejsca sklejenia dwóch płyt oraz obecności wbudowanych elementów w strukturę elementu betonowego na podstawie analizy spektrum częstotliwościowego. W 2009 r. T. PIO TR OW SKI [10] opracował metodę oceny jakości zespolenia w układach naprawczych metodą impact-echo. Rejestracja i analiza odbitych fal pozwala zatem badać między innymi: grubość konstrukcji [15, 12, 8, 16], określać miejsca nieciągłości połączenia, rozwarstwienie materiału [15, 12, 8, 16, 17], a ponadto oceniać, na przykład, sposób wypełnienia kanałów kablowych zaczynem cementowym w przypadku konstrukcji sprężonych [15, 16, 18, 19, 20]. Metoda IE znajduje więc zastosowanie w ocenie stanu wszystkich elementów konstrukcyjnych, także przy dostępie tylko w jednej strony. Wartym do zauważenia jest fakt, że zbrojenie zlokalizowane w elementach żelbetowych nie będzie zakłócało badania, jak ma to miejsce np. w metodzie ultradźwiękowej. Taka możliwość wynika z małej różnicy wartości impedancji akustycznych betonu i stali (Tabl. 2). Z drugiej strony rozwinięta korozja stali, która pogarsza przyczepność betonu do zbrojenia jest możliwa do zidentyfikowania, ze względu na powstałe wówczas pustki powietrzne na styku betonu i stali [21, 22]. Obecnie trwają badania nad możliwością zastosowania metody impact-echo w ocenie parametrów mechanicznych (wytrzymałość na ściskanie, moduł Young'a) betonu [23, 24, 25]. Ustalono dotychczas możliwość oceny wytrzymałości dojrzewającego betonu [24] na podstawie prędkości propagacji fali mechanicznej (Rys. 4), co może mieć zastosowanie w stadium realizacji budowy przy określaniu możliwości rozszalunkowania lub poprawnego wykonania elementu. Rys. 4. Zależność wytrzymałości betonu od prędkości propagacji fali

4 4. Analiza sygnału Prawidłową diagnostykę konstrukcji metodą impact-echo, zarówno w lokalizacji wad w elemencie, jak i w ocenie właściwości mechanicznych materiału przeprowadza się, na drodze analizy parametrów sygnału, tj.: 1) czasu przejścia fali podłużnej, 2) prędkości propagacji fali podłużnej, 3) charakteru wykresu (zmiana amplitudy w czasie) oraz 4) maksymalnej częstotliwości sygnału. Sygnał rejestrowany jest w funkcji amplituda - czas, stąd dane do obliczenia pierwszych trzech parametrów można bezpośrednio otrzymać za pomocą analizy rejestrowanego sygnału. Otrzymanie informacji o częstotliwości wymaga przekształcenia sygnału do dziedziny częstotliwości, co dokonuje się na drodze opisanej poniżej analizy Fouriera. 4.1 Transformacja Fouriera Transformacja Fouriera (ang. Fourier Transform) jest metodą analizy szeregów czasowych polegającą na przejściu z dziedziny czasu do dziedziny częstotliwości, która rozkłada sygnał wejściowy na szereg funkcji okresowych tak, że uzyskana transformata podaje, w jaki sposób poszczególne częstotliwości składają się na pierwotną funkcję Transformacja Fouriera sygnału x(t) i jej odwrotna transformata są następujące: (7) (8) Powyższe wyrażenia zakładają, że sygnał x(t) jest rozciągnięty w zakresie funkcji harmonicznej e 2i ft w czasie od - do, a X(f) stanowi wielkość składowej z częstotliwości f. Sygnał zatem jest przekształcany z dziedziny czasu do dziedziny częstotliwości (Rys.5), co umożliwia określenie zależności (1). 5. Sprzęt Rys. 5. Prezentacja wyniku transformacji Fouriera - widmo częstotliwości [26] Metoda impact-echo jest mało znana w Polsce i słabo rozpowszechniona. Urządzenie produkowane jest w Stanach Zjednoczonych gdzie jego stosowanie jest popularne, a procedura badawcza i sposób realizacji pomiarów jest znormalizowany i opisany w normie ASTM [6]. Podstawowy zestaw aparatury do badań metodą IE składa się z kompletu (8-10) stalowych kulek o zróżnicowanych (3-20mm) średnicach. Kulki są zwykle zamocowane na krótkim ramieniu i spięte razem, co ułatwia pracę. Stosowane jest także zamocowanie kulek na specjalnym uchwycie, w którym umieszcza się odbiornik lub uchwyt typu Spider (Rys. 6b), który gwarantuje odpowiedni dystans od impulsu do odbiornika. Nieodłącznym elementem zestawu są także cylindryczne czujniki piezoelektryczne, które odbierają sygnały w postaci drgań powierzchni i zamieniają je na prąd elektryczny o napięciu proporcjonalnym do amplitudy drgań. Dla możliwości pomiaru prędkości propagacji fali do aparatury jest dołączana listwa dystansowa, w której umieszcza się dwa czujniki piezoelektryczne lub listwa z wbudowanymi na stałe czujnikami. Oba rozwiązania lokalizują odbiorniki sygnałów w odległości 300mm od siebie, a listwy, w których czujniki nie są wbudowane na stałe, mają możliwość regulacji odległości. Dodatkowo aparatura do badań metodą IE posiada odpowiednie opro-

5 gramowanie zwykle dostarczane na dołączonym do zestawu laptopie lub miniaturowym komputerze, co umożliwia szybką wizualizacje i analizę wyników bezpośrednio na miejscu badania. Wyniki wyświetlane są zarówno w dziedzinie czasu jak i w spektrum częstotliwościowym, co znacznie ułatwia i usprawnia prawidłowy odczyt wyników. Oprogramowanie jest zwykle kompatybilne z systemem Windows co pozwala na analizę wyników oraz ich archiwizacje. a) b) c) Rys. 6. Dostępne na rynku zestawy Impact-echo: a) Impact-Echo Instruments (IEI) [27], b) Germann Instruments [28], c) NDT James Instruments [29] 5. Podsumowanie Metoda IE jest dobrze rozwinięta w USA, i często stosowana jest w lokalizacji nieciągłości w betonie, ocenie jakości zespolenia czy określeniu grubości elementów konstrukcyjnych. Do analizy sygnału w celu otrzymania informacji o zachowaniu się fali propagującej przez materiał, wykorzystywana jest analiza Fouriera. Analizy numeryczne, pomimo trudnych podstaw teoretycznych, są przystępne do zastosowania dla użytkownika, dzięki dołączonemu w zestawie urządzenia oprogramowaniu. Jako stosunkowo nowa metoda, jej zakres stosowania jest ciągle poszerzany. Na podstawie przeprowadzonego przeglądu literaturowego stwierdza się, że w Polsce metoda impact-echo stosowana jest na małą skalę, a sprzętem tym dysponuje jedynie kilka ośrodków badawczych. Warto podkreślić niewątpliwe zalety metody IE w porównaniu z metodami ultradźwiękowymi. W metodzie impact-echo obecność stali zbrojeniowej nie wpływa na przebieg badania konstrukcji żelbetowych, a dodatkowo metoda może być stosowana w każdej płaszczyźnie konstrukcji, także przy jednostronnym dostępie do niej. Łatwość stosowania metody IE jest jedną z podstawowych jej zalet. Obecnie trwają prace nad określeniem możliwości zastosowania analizy rejestrowanego sygnału do oceny jakości materiałów z matrycą cementową. Realizowany obecnie program badawczy potwierdził istnienie relacji między parametrami charakteryzującymi sygnał IE, a stopniem uszkodzenia betonu poddanego działaniem wysokiej temperatury [25]. 6. Bibliografia [1] [Online]. Available: [2] [Online]. Available: [3] I. Hager, Metody oceny stanu betonu w konstrukcji po pożarze, Cement Wapno Beton, tom lipiec/sierpień, nr 4, pp , [4] I. Hager, Wytrzymałość na ściskanie i prędkość rozchodzenia się fali ultradźwiękowej w betonach zwykłych i wysokowartościowych poddanych działaniu wysokiej temperatury, Zeszyty Naukowe Politechniki Rzeszowskiej. Budownictwo i Inżynieria Środowiska, nr 276, pp , [5] I. Hager, H. Carre i K. Krzemień, Damage assessment of concrete subjected to high temperature by means of the ultrasonic pulse velocity UPV method, Studies and Researches. Annual Review of Structural Concrete, Vol.32, pp , Politecnico di Milano, 2013 [6] ASTM C ,, Standard test method for measuring the p-wave speed and the thickness of concrete plates using the impact-echo method, ASTM International, West Conshohocken, USA. [7] Ł. Drobiec, R. Jasiński i A. Piekarczyk, Diagnostyka Konstrukcji Żelbetowych.

6 Metodologia, badania polowe, badania laboratoryjne betonu i stali. Tom I, Warszawa: Wydawnictwo Naukowe PWN, [8] C. B. Aktas, Determining the thickness of concrete pavements using impact-echo test method, Graduate School of Natural and Applied Sciences, [9] M. Sansalone i N. Carino, Stress Wave Propagation Methods, w Handbook on Nondestructive Testing of Concrete,, Boca Raton, FL, Ed. V.M. Malhotra and N.J. Carino, CRC Press,, 1991, pp [10] T. Piotrkowski, Zastosowanie analizy sygnału impact-echo do oceny zespolenia w układach naprawczych betonu, Rozprawa doktorska. Politechnika Warszawska, Warszawa, [11] N. Carino, The impact-echo method: an overview, National Institute of Standards and Technology, USA, [12] M. Sansalone i N. Carino, Impact-echo: a method for flaw detection in concrete using transient stress waves., NBSIR , Gaithersburg, MD: National Bureau of Standards, [13] M. Sansalone i N. Carino, Detecting delaminations in reinforced concrete slab with and without asphalt overlays using impact-echo method, ACI Materials J., tom 86, pp , [14] M. Sansalone, J.-M. Lin i W. B. Streett, Determining the Depth of Surface-Opening Cracks Using Impact-Generated Stress Waves and Time-of-Flight Techniques, ACI Materials Journal, tom 95, nr 2, pp , [15] Ł. Drobiec, R. Jasiński i A. Piekarczyk, Metody lokalizacji wad konstrukcji betonowych - metoda młoteczkowa (cz.ii), Przegląd Budowlany, (10) [16] D. Breysse, Non-Destructive Assessment of Concrete Structures: Reliability and Limits of Single and Combined Techniques: State-Of-the-Art Report of the RILEM Technical Committee 207-INR, [17] M. Sansalone i W. Streett, Impact-echo. Nondestructive evaluation of concrete and masonry, Bullbrier Press, Ithaca, [18] M. Krause, M. Barmann, R. Frielinghaus, F. Kretzchmar, O. Kroggel, K. Langenberg, C. Maierhofer, W. Muller, J. Neisecke, M. Schickert, V. Schmitz, H. Wiggenhauser i F. Wollbold, Comparison of pulse-echo methods for testing concrete, NDT&E International, tom 30, nr 4, pp , [19] M. Ohtsu i N. Alver, Development of non-contact SIBIE procedure for identifying ungrouted tendom duct, NDT & E International, tom 42, nr 2, pp , [20] A. Moczko i M. Moczko, Możliwości wykorzystania metody impact-echo do lokalizacji wad w kablobetonowych konstrukcjach mostowych, w 30 Krajowa Konferencja Badań Nieniszczących CD, Szczyrk, [21] C. Cheng i M. Sansalone, The effects of steel bars and cracking around bars on impactecho signals, ACI Materials J., tom 90, pp , [22] M. Liang i P. Su, Detection of the corrosion damage of rebar in concrete using impactecho method, Cement and Concrete Research, pp , [23] S. Pessiki i M. Johnson, Nondestructive Evaluation of Early-Age Concrete Strength in Plate Structures by the Impact-Echo Method, Materials Journal, American Concrete Institute, tom 93, pp , May-June [24] H.-K. Lee, H. Yim i K.-M. Lee, Velocity-Strength Relationship of Concrete by Impact- Echo Method, ACI Materials Journal, tom 100, nr 1, pp , [25] I. Hager i K. Krzemień, Metoda impact-echo - ocena przydatności w diagnozowaniu działania wysokiej temperatury na beton, w XXVI Konferencja Naukowo-Techniczna Awarie Budowlane, Międzyzdroje, (referat przyjęty do wygłoszenia) [26] Impact-Echo Instruments, [Online]. Available: [27] Germann Instruments, [Online]. Available: [28] NDT James Instruments, [Online]. Available: