VII Ogólnopolska Konferencja Mostowców Konstrukcja i Wyposażenie Mostów

Transkrypt

1 VII Ogólnopolska Konferencja Mostowców Konstrukcja i Wyposażenie Mostów Piotr KLIKOWICZ 1 Marek SALAMAK 2 Piotr ŁAZIŃSKI 3 Wisła, maja 2015 r. METODY ULTRADŹWIĘKOWE Z ANALIZĄ FAL TYPU CODA W MONITORINGU I DIAGNOSTYCE MOSTÓW BETONOWYCH Obiekty mostowe, z uwagi na swój wiek i stan techniczny, muszą być okresowo poddawane inspekcji, a w uzasadnionych przypadkach, monitorowane w sposób ciągły. W referacie przedstawiono nową metodę analizy fal akustycznych typu Coda i jej potencjalne zastosowania w diagnostyce mostów betonowych. Opisano instalację pomiarową zamontowaną na budowanym obiekcie mostowym w ciągu Drogowej Trasy Średnicowej w Gliwicach. 1. Wprowadzenie W Polsce obiekty mostowe są mocno zróżnicowane pod względem konstrukcji, wieku, jak i stanu technicznego[1]. Całkowita ich liczba jest trudna do określenia z uwagi na podziały administracyjne oraz różnice w klasyfikacji i przepisach. Dane statystyczne świadczące o kondycji infrastruktury nie są spójne, a wynik wyłaniający się z ich analizy daje jedynie częściowy obraz stanu faktycznego. Przykładowo, obiekty kolejowe, których w Polsce jest ponad 8000, w 35% mają więcej niż 100 lat, a kolejne 35%, to obiekty przynajmniej pięćdziesięcioletnie [1]. Odwrotna sytuacja ma miejsce w infrastrukturze drogowej, gdzie od 20 lat trwa modernizacja naszej sieci komunikacyjnej i dostosowanie jej do poziomu z zachodniej Europy [14]. Utrzymanie dobrego stanu technicznego starzejących się obiektów mostowych jest dużym wyzwaniem. Wydłużenie okresu użytkowania mostów, które są jednym z bardziej kosztownych i wrażliwych elementów infrastruktury transportowej należy obecnie do ważniejszych priorytetów całej Unii Europejskie. Wynika to z konieczności optymalizacji jej kosztów planowania, zarządzania i odnawiania. Analizując strukturę wiekową obiektów mostowych w Europie, widać coraz bardziej wyraźne zapotrzebowanie na takie działania. W Polsce w ostatnim okresie, dzięki trwającemu programowi przebudowy sieci dróg i linii kolejowych, wskaźniki te poprawiły się, ale wkrótce głównym źródłem kosztów związanych z infrastrukturą będzie utrzymanie tego coraz większego majątku narodowego. Obiekty infrastruktury transportowej wymagają cyklicznych przeglądów i ocen stanu technicznego, a obiekty zagrożone awarią w przyszłości będą w coraz większym zakresie potrzebować ciągłego monitorowania ich przydatności do użytkowania. Znanych jest wiele różnorodnych metod diagnostyki konstrukcji betonowych. Do ich opracowania wykorzystano różne zjawiska fizyczne i chemiczne, które mogą służyć do wnioskowania na temat zmiany charakterystycznych cech danego materiału lub zachowania się konstrukcji. Zmiany te mogą wynikać ze zmiennego obciążenia, wpływów środowiska lub pogarszania się właściwości starzejącego się materiału konstrukcyjnego. Monitoring stanu technicznego i diagnostyka konstrukcji są w ostatnich latach bardzo rozwijane. Powstają nowe urządzenia i metody badawcze. Wykorzystujemy także doświadczenie uczonych z innych branż. Przykładem takiego postępowania jest adaptacja metod używanych dotychczas głównie w geofizyce na potrzeby badania konstrukcji betonowych, do coraz częściej stosowanych, skutecznych i łatwych w użyciu metod należą między innymi techniki akustyczne. W referacie zwrócono szczególną uwagę na najnowsze sposoby analizy fal Coda. 1 Mgr inż., Politechnika Śląska 2 Dr hab. inż., Politechnika Śląska 3 Dr inż., Politechnika Śląska 71

2 Omówiono dalej zasady działania czujników akustycznych oraz pokazano przygotowany eksperyment in-situ na betonowej estakadzie w Gliwicach. Ten poligon doświadczalny służyć ma nie tylko do oceny możliwości stosowania technik akustycznych. Ponieważ w obiekcie zabetonowano również inne systemy pomiarowe, autorzy będą mogli w przyszłości porównywać ze sobą pozyskiwane wyniki oraz wnioskować o przydatności i skuteczności poszczególnych metod. 2. Metody akustyczne z analizą fal Coda Metody ultradźwiękowe wywodzą się z badań sejsmicznych. Sposoby analizy fal rozchodzących się w skorupie ziemskiej po trzęsieniu ziemi czy wybuchu wulkanu są rozwijane od lat. Pierwsze prace nad wykorzystaniem fal Coda do oszacowania naprężeń podpowierzchniowych w skorupie ziemskiej podjęli Aki i Chouet [2] w 1975 r. Nazwa Coda pochodzi z muzyki. Jest to część kończąca musical (z łac. couda ogon). Geofizycy wydzielają z sejsmogramu trzy rodzaje fal. Jako pierwsze rejestrowane są fale pierwotne (P-wave) i wtórne (S-wave) odpowiednio z ang. Primary-wave i Secondary-wave. Po pewnym czasie fale P i S docierają do powierzchni i część ich energii zmienia się w fale powierzchniowe o dużej amplitudzie (Rys. 1), po czym stopniowo zanikają. Ta zanikająca część fal, nazwana Coda [3], składa się po części z odbitych fal P i S oraz fal powierzchniowych. Rys. 1. Budowa sejsmogramu [3] Większość stosowanych obecnie metod ultradźwiękowych bazuje na pomiarze prędkości rozchodzenia się fal bezpośrednich First Arrival TOF (Time Of Flight). Okazało się, że znacznie lepszą dokładność można uzyskać analizując fale Coda. Rys. 2. Wykres z badania próbki betonowej z oznaczeniem wzbudzenia i fal coda [5] 72 Rys. 3. Rozchodzenie się fal ultradźwiękowych: a) zasada Time Of flight (First Arrival); b) metoda CWI [5] Fale do rejestratora trafiają nie tylko po najkrótszej drodze. Część z nich odbija się w niejednorodnym materiale (Rys. 3), dzięki czemu zawierają one więcej informacji o konstrukcji niż te, które dotarły bezpośrednio. Fale Coda są definiowane także jako długotrwały ciąg fal po impulsie

3 (Rys. 2) [5]. Odbijając się pokonują dłuższy dystans, przez co są bardziej wrażliwe na różne wpływy, jak na przykład: zmiany temperatury, wilgotności i stanu naprężenia, pęknięcia i pustki w ośrodku, zmiany położenia źródła i odbiornika sygnału. Dokładna analiza zapisu sejsmogramu pokazuje, że przy braku zmian w materiale wykres fal akustycznych prawie się nie zmienia. Dowodzą tego obserwacje wulkanu Merapi w Indonezji [3], gdzie wykonano odczyty sejsmografem w różnych odstępach czasu, dbając o zachowanie jednakowych warunków, a dokładniej identycznego wzbudzenia i takiej samej lokalizacji źródła oraz odbiornika. Na Rys. 4 oznaczono sejsmogram zarejestrowany jednego dnia i tydzień później, kiedy zmiany w materiale nie wystąpiły. Widać niemal jednakowe wykresy fal bezpośrednich First Arrival (Rys. 4a) oraz fal Coda (Rys. 4b). Rys. 4. Sejsmogramy zarejestrowane w odstępie jednego tygodnia: a) fale First Arrival; b fale Coda [3] Inna sytuacja ma miejsce kiedy czas pomiędzy odczytami zwiększony został do jednego roku. Fale bezpośrednie są nadal bardzo podobne (Rys. 5a). Niosą one mało energii, przez co ich dokładność jest za mała do wykrycia subtelnych zmian w materiale, które widoczne są dopiero w falach Coda (Rys. 5b). Można zauważyć w nich pewną prawidłowość: wykresy są przesunięte pomiędzy sobą o określoną jednostkę czasu. Rys. 5. Sejsmogramy zarejestrowane w odstępie jednego roku: a) fale First Arrival; b fale Coda [3] 3. Coda Wave w budownictwie Próbując wykorzystać fale Coda w budownictwie opracowano kilka metod analizy sygnału. Najprostszą techniką jest metoda współczynnika korelacji. Porównuje się w niej serie danych do wartości referencyjnej. Wartość współczynnika otrzymujemy z przedziału [-1;1], przez co metoda ta nadaje się jedynie do oceny skali wykrytego zjawiska [6]. Jest to sposób wykrywania znacznych zmian w prędkości fal. Potencjalnym zastosowaniem tej metody jest wstępne wykrywanie anomalii w materiale i działanie na zasadzie wyzwalacza do rozpoczęcia pomiaru właściwego. Metoda Coda Wave Inteferometry (CWI) jest to podstawowy, najszerzej opisany w literaturze sposób wykorzystania fal Coda. Interferometr to przyrząd pomiarowy wykorzystujący nakładanie się co najmniej dwóch fal optycznych lub akustycznych. Fale Coda przemierzają ośrodek kilkukrotnie skomplikowanymi ścieżkami. Gdy nie zachodzą żadne zmiany obserwuje się wysoką powtarzalność ich 73

4 propagacji. Zmiany w ośrodku ujawniają się w zmienionym charakterze ich wykresów. Można więc powiedzieć, że badany materiał pracuje wówczas jak naturalny interferometr. W celu określenia zmian prędkości rozchodzenia się fal porównuje się dwa stany ośrodka. Wyznacza się stan pierwotny i porównuje z aktualnym odczytem. Zasada CWI opiera się na porównywaniu pola fal przed oraz po zajściu zmian w materiale. Pole fal tworzone jest z sumy wszystkich możliwych ścieżek fal rozchodzących się w materiale po danych trajektoriach. Do wyznaczenia przyrostu prędkości wykorzystywana jest korelacja krzyżowa w odpowiednich oknach czasu. W sposób analityczny można określić zmianę położenia źródła oraz przemieszczenie wewnętrznych niejednorodności. Natomiast na prędkość fal mają wpływ pozostałe wymienione wcześniej czynniki: temperatura, wilgotność oraz stan naprężeń w ośrodku. Dokładny opis metody można znaleźć w [10] oraz [3]. Rozwinięciem metody CWI jest metoda dopasowania (w ang. Stretching signal processing) polega ona na wirtualnym rozciągnięciu lub ściśnięciu osi czasu na wykresie aż do uzyskania stałego przyrostu lub spadku prędkości rozchodzenia się fal, a następnie porównania go z zarejestrowanymi wartościami i wyznaczeniu z korelacji krzyżowej zmiany prędkości rozchodzenia się fal. Najnowszą z metod analitycznych jest Coda Wave Tomography (CWT), bazuje ona na teorii transferu energii. W metodzie korzystamy ze wszystkich fal łącznie zarówno bezpośrednich jak i Coda. Dlatego wraz ze wzrostem odległości od czujnika dokładność tej metody maleje. a) b) Rys. 6. Badanie przeprowadzone w instytucie BAM w Berlinie: a) widok próbki z wywierconym otworem; b) wyniki analizy Coda Wave Tomography [6]. W laboratorium instytutu BAM (Bundesanstalt fur Materialforschung und-prufung) przeprowadzono badanie sprawdzające możliwości tej najnowszej metody [6]. W zabetonowanej próbce o wymiarach 1,5 x 1,5 x 0,5 m (Rys. 6a) umieszczono 18 czujników ultradźwiękowych. Każdy z nich może być zarówno odbiornikiem jak i transmiterem, dzięki czemu uzyskano możliwość poprowadzenia 90 różnych tras bezpośrednich pomiędzy nimi. Korzystając z CWT powstał przestrzenny obraz zmian naprężeń w wewnętrznej przestrzeni betonowej próbki (Rys. 6b) Potencjalne ograniczenia badania W pomiarze czasu przelotu fal bezpośrednich (TOF) temperatura ma drugorzędne znaczenie i nie wpływa na uzyskiwane wyniki. Natomiast metoda CWI bada subtelne różnice w prędkości rozchodzenia się fal, przez co nawet nieznaczne zmiany warunków środowiskowych, jak temperatura czy wilgotność wpływają na wyniki badań. 74

5 Rys Formy fal dla próbki granitowej podgrzanej do 45 C (czerwona linia) oraz 50 C (linia niebieska). Na powiększeniu fale bezpośrednie (góra) oraz coda (dół). Rys Zmienność przyrostu prędkości (oś po lewej) oraz liczby emisji (oś po prawej) w zależności od temperatury Potwierdzeniem są badania przeprowadzone na granitowych próbkach cylindrycznych o średnicy 55 mm i wysokości 110 mm [3]. Doświadczenie polegało na rejestracji fal akustycznych w próbce podgrzanej do temperatury 95 C skokami co 5 C. Na Rys. 7 widać, że zmiana temperatury o 5 C nie odzwierciedla się w falach bezpośrednich, ma natomiast wpływ na fale Coda. Ponadto przy wzroście temperatury powyżej granicznej temperatury pękania (dla granitu około 75 C) pojawiają się mikro pęknięcia, co skutkuje większą liczbą emisji (Rys. 8). Relacja prędkość-temperatura jest liniowa do określonej wartości, po jej przekroczeniu, gdy pojawiają się mikro rysy i znaczna liczba emisji akustycznych, prędkość spada nieliniowo i nie powraca po schłodzeniu do pierwotnej wartości. Rys. 9. Zmiana prędkości fal akustycznych w zależności od temperatury w granicie [3] Rys. 10. Zmiany przyrostu prędkości fal akustycznych w zależności od temperatury w próbce betonowej [5] Autorzy [11] wykonali badania dbając o kompensację temperatury. Wytworzono dwie identyczne, cylindryczne próbki o średnicy 110 mmi wysokości 450 mm. Pielęgnacja jak i samo badanie zostały przeprowadzone w stałych warunkach wilgotnościowych. Pierwsza z próbek została umieszczona w odpowiednio przygotowanej maszynie i poddana osiowej sile rozciągającej, druga (referencyjna) została umieszczona w pobliżu, tak aby znajdowała się w tej samej temperaturze. Fale akustyczne były analizowane jednocześnie, a wynik stanowił różnice odczytów z próbki zasadniczej oraz referencyjnej. 75

6 Rys. 11. Prędkość fal oraz obciążenie w czasie doświadczenia - 1 cykl [11] Rys. 12. Prędkość fal oraz obciążenie w czasie doświadczenia - 2 cykl [11] Próbkę obciążono siłami rozciągającymi o wartościach 8, 12 i 16 kn w dwóch jednakowych cyklach jak na Rys. 11 i Rys. 12. Przed badaniem przeprowadzono 15 godzinne odczyty bez obciążenia, a następnie przyłożono siły pierwszego cyklu oddzielone czasem przewidzianym na relaksację (1 godzina). Cykle oddziela próba pełzania polegająca na utrzymaniu siły 18 kn przez 20 godzin, i odciążenie przez 18 godzin. Rys. 13 Prędkość fal oraz obciążenie w czasie doświadczenia - 1 cykl [11] Rys. 14 Prędkość fal oraz obciążenie w czasie doświadczenia - 2 cykl [11] Podstawowym wnioskiem z badania jest stwierdzenie podążania wykresu zmian prędkości rozchodzenia fal akustycznych za obciążeniem próbki (Rys. 11 i Rys. 12). W pierwszym cyklu każdorazowo po odciążeniu prędkość fal akustycznych wolno maleje, choć nie powraca do wartości pierwotnej. Zmniejszenie prędkości jest efektem działania siły rozciągającej (zależność akustycznosprężysta) łącznie z efektem Kaisera (pojawieniem się mikrorys). Mikrorysy pojawiają się w próbce jedynie po przekroczeniu wartości maksymalnej, jeśli w dowolnym czasie po obciążeniu zostanie do próbki przyłożona siła mniejsza dodatkowe mikrorysy nie pojawią się. W kolejnej próbie maksymalna wartość z poprzedniego cyklu nie zostaje przekroczona, stąd zmiany prędkości wynikają jedynie z zależności akustyczno-sprężystej, są więc są odwracalne i powtarzalne (Rys. 13). W trakcie długotrwałego obciążenia nie powstały dodatkowe rysy, a współczynnik elastycznosprężysty zmniejszył się o 14%. Autorzy referatu tłumaczą tą zależność samo-leczeniem betonu spowodowane związaniem wolnego klinkieru z wodą uwolnioną przez powstałe mikrorysy. 4. Structure Health Monitoring z analizą fal Coda Monitoring od diagnostyki konstrukcji odróżnia przede wszystkim czas i powtarzalność prowadzenia pomiarów. Stała kontrola stanu technicznego konstrukcji nazywana z angielskiego Structure Health Monitoring (SHM), to ciągły i automatyczny pomiar parametrów technicznych i geometrycznych konstrukcji. Taka kontrola jest zasadna w przypadku odpowiedzialnych obiektów o nowatorskich rozwiązaniach i złożonym schemacie statycznym, w których mogą pojawić się różne okoliczności prowadzące do zagrożenia bezpieczeństwa konstrukcji lub jej użytkowników. Tymi okolicznościami mogą być uszkodzenia mechaniczne, starzenie się i zmęczenie materiału konstrukcyjnego, wpływy zewnętrzne w postaci oddziaływań środowiskowych lub deformacji podłoża (tzw. szkody górnicze)[13], zmiany warunków posadowienia (uplastycznienie, zmiana poziomu zwierciadła wody gruntowej) lub przekroczenie dopuszczalnego obciążenia użytkowego [4][9]. 76

7 a) b) c) Rys. 15. a) czujnik elektrooporowy na powierzchni konstrukcji, b) czujnik strunowy w trakcie montażu wewnątrz konstrukcji żelbetowej c) tensometr optyczny Rozwój elektroniki i automatyki doprowadził do sytuacji, w której wiele z tych parametrów może być dziś z powodzeniem mierzona i rejestrowana. Siły wewnętrzne wyznaczane są ze związków konstytutywnych (głównie z prawa Hooke-a). Najczęściej wykorzystujemy w tym celu tensometry elektrooporowe (Rys. 15a), strunowe (Rys. 15b) lub optyczne (Rys. 15c) tutaj czujnik wykorzystujący interferometr Fabry'ego-Perota (F-P). Wszystkie wyżej wymienione czujniki mierzą odkształcenia w jednym punkcie konstrukcji, wyznaczane na odcinku stanowiącym bazę danego czujnika. Jednym z nielicznych dostępnych na rynku czujników pozwalających na pomiar odkształceń w wielu punktach (tylko na długości światłowodu) są czujniki FBG (Fiber Bragg Gratings). Rys. 16. Model numeryczny mostu w Turcji [7] Rys. 17. Porównanie sygnału wyznaczonego z analizy komputerowej konstrukcji oraz zmierzonego sygnału [7] Metody akustyczne mogą w przyszłości wypełnić tę lukę w grupie urządzeń pomiarowych służących do monitoringu konstrukcji. Różne sposoby analizy sygnału pozwalają na wykorzystanie ich do wielu celów. Na przykład do ciągłego monitoringu, wykrywania uszkodzeń, czy tworzenia przestrzennych map naprężeń. Pierwszą próbę wykorzystania monitoringu ultradźwiękami w obiekcie mostowym podjęto w Turcji. W budowanym metodą nasuwania podłużnego obiekcie skrzynkowym zamontowano czujniki w płycie pomostowej. Czujniki umieszczono w jednej linii w odstępach około 50 cm na długości 6 m. Sygnał wzbudzany był przez uderzenie w płytę aluminiową na powierzchni konstrukcji. Istotą pomiaru było zmierzenie prędkości fal akustycznych w różnych stadiach nasuwania konstrukcji, a co za tym idzie w różnym stanie naprężeń i porównanie wyników z analizą numeryczną obiektu (Rys. 17). Prędkość obliczeniową wyznaczono na podstawie odkształceń z analizy modelu komputerowego (Rys. 16). Brak dokładnego pokrycia wyników pomiaru i analizy obliczeniowej (Rys. 17) autorzy [7] tłumaczą brakiem powtarzalności źródła sygnału oraz znacznym szumem wynikającym z pomiaru w trakcie nasuwania konstrukcji i pracami na obiekcie. Kolejnym przykładem użycia tej metody jest opisany dalej eksperyment prowadzony przez autorów (we współpracy z zespołem naukowców z BAM) na estakadzie budowanej w Gliwicach. 5. Eksperyment SHM z użyciem Coda Wave w Gliwicach 5.1. Przedmiot badań Badania prowadzone są na obiekcie w ciągu Drogowej Trasy Średnicowej w Gliwicach. Estakada pokonuje przeszkodę jaką jest rzeka Kłodnica wraz z terenem zalewowym. W sumie długość obiektu wynosi ponad pół kilometra, składa się na nią 12 przęseł: dwa skrajne po 36 m oraz 10 wewnętrznych po 48 m. Pod każdą z jezdni zaprojektowano osobną konstrukcję o przekroju poprzecznym dwudźwigarowym i wysokości konstrukcyjnej 2,4 m (Rys. 18). 77

8 Rys. 18. Przekrój poprzeczny i schemat statyczny mostu w Gliwicach Wykonawca przyjął technologię budowy z wykorzystaniem rusztowania przestawnego, czego skutkiem jest całkowita rezygnacja z poprzecznic kosztem pogrubionej do 40 cm płyty pomostowej (Rys. 18 i Rys. 19). Rys. 19. Budowa mostu w Gliwicach 5.2. Zastosowane układy pomiarowe Instalację pomiarową można podzielić na trzy niezależne systemy. Dwa z nich służą wyznaczeniu naprężeń w oznaczonym przęśle obiektu, a jeden do wyznaczenia reakcji podporowych w osi przyczółka od strony Zabrza (podpora nr 13). Rys. 20. Lokalizacja instalacji pomiarowej mostu w Gliwicach Czujniki Coda Wave zamontowano w środku przęsła na długości 4 metrów. Każdy z 8 czujników może być zarówno transmiterem jak i odbiornikiem sygnału (Rys. 21). Taki układ pozwala na lokalizację i identyfikację miejsc zmian prędkości rozchodzenia się fal akustycznych w obrębie pola ograniczonego przez czujniki. Wyniki z badań ultradźwiękami zostaną porównane z wynikami uzyskanymi innymi technikami, a w szczególności z czujników strunowych elektrooporowych. 78

9 Rys. 21. Schemat instalacji pomiarowej zamontowanej w moście w Gliwicach Instalacja dodatkowego systemu pomiarowego zawiera: 1 czujnik naprężeń Geokon 4370 (Rys. 22a), 9 strunowych czujników odkształceń Geokon 4200 o bazie 51 mm (Rys. 22b), 9 strunowych czujników odkształceń Geokon 4202 o bazie 150 mm (Rys. 22b), 15 termistorów (Rys. 21). System ten ma służyć do: określenia składowych sił wewnętrznych działających równolegle do osi dźwigara, pomiaru zmian modułu sprężystości w czasie, pomiaru rozkładu temperatur w przekroju poprzecznym, sprawdzenia instalacji Coda Wave przez porównanie wyników. Czujniki tej instalacji połączone są w trzy logiczne podsystemy. Pierwszy z nich (oznaczony na Rys. 21 jako Sk) składa się z trzech tensometrów strunowych o bazie 51 mm, umieszczonych w obudowie separującej wykonanej ze spienionego polistyrenu wzmocnionego polichlorkiem winylu. Obudowa wraz z czujnikami została wypełniona betonem i umieszczona w osi dźwigara w strefie ściskanej betonu podczas zalewania ustroju nośnego (Rys. 22b). Dzięki izolacji od wpływów zewnętrznych z czujników możemy odczytać odkształcenia skurczowe oraz termiczne. Kolejna część instalacji pomiarowej oznaczona na Rys. 21 jako Ne, służy wyznaczaniu związków konstytutywnych i zmian modułu sprężystości w czasie eksploatacji konstrukcji. Składa się ona z trzech czujników strunowych Geokon 4200 o bazie 150 mm, scalonych z czujnikiem naprężeń Geokon 4370 (Rys. 22a). Moduł sprężystości nie jest jednakowy w każdym punkcie konstrukcji, zmienia się także w czasie. Poznanie odpowiedniej wartości modułu Younga jest konieczne do wyliczenia naprężeń w konstrukcji, które wyznaczamy z prawa Hooke a mnożąc zmierzone odkształcenia przez moduł sprężystości. Instalację dopełniają trzy czujniki odkształceń połączone ze zbrojeniem głównym dźwigara typu 4911 sisterbar oraz czujniki temperatury rozmieszczone tak, aby wyznaczyć jej rozkład w przekroju dźwigara (Rys. 21). W przekroju A-A oznaczonym na Rys. 21 możemy wyznaczyć odkształcenia w trzech punktach. Dodatkowo korzystając z pozostałych składowych instalacji wyznaczyć można moduł sprężystości, odkształcenia skurczowe i termiczne. Temperatura jest mierzona na całej wysokości dźwigara 79

10 w dziewięciu punktach. Wszystko to daje bardzo dużo informacji o stanie naprężeń w tym przekroju i może stanowić punkt odniesienia dla nowej metody pomiarowej jaką jest CWI. a) b) c) Rys. 22. Czujniki pomiarowe przed betonowaniem: a) czujnik naprężeń połączony z czujnikami odkształceń, b) instalacja pomiarowa widziana od środka dźwigara c) czujniki ultradźwiękowe w osłonach. Niezależną instalację stanowią czujniki zamontowane w ciosach podłożyskowych. W każdym z nich zamontowano po trzy strunowe czujniki odkształceń Geokon 4202 z bazą pomiarową 51mm. Czujniki ustawione są pionowo w równych odległościach od osi obciążenia w rzucie. Instalacja jest ostatnim etapem badań nad określeniem alternatywnych sposobów wyznaczaniu reakcji podporowych [4][9]. 6. Metodyka badań Do oceny sposobu i skuteczności działania zastosowanych układów pomiarowych przewidziano przeprowadzenie próbnego obciążenia konstrukcji nośnej. W czasie obciążenia statycznego zrealizowanych zostanie pięć schematów statycznych: cztery przęsłowe (oznaczone od S1 do S4) oraz jedno podporowe oznaczone jako P1 (Rys 23). W każdym schemacie użytych będzie sześć samochodów czteroosiowych o masie całkowitej około 32 ton. Rys. 23. Schematy obciążenia statycznego przęseł i podpory W trakcie próbnego obciążenia dodatkowo mierzone będą ugięcia dźwigarów w środku rozpiętości skrajnego przęsła. Wykorzystane zostaną tu klasyczne metody pomiarowe z elektronicznymi czujnikami przemieszczeń. Osiadania podpór sprawdzane będą niwelatorami precyzyjnymi. W celu walidacji pomiaru reakcji podporowych, na badanych ciosach podłożyskowych przyklejone zostaną tensometry elektrooporowe oraz precyzyjne czujniki przemieszczeń służące do pomiaru zgniotów w łożyskach. Przed próbnym obciążeniem zmieniono częstotliwość próbkowania czujników strunowych do jednego pomiaru co minutę. Instalacja ta z założenia ma badać zmiany zachodzące w długim czasie, badanie z większą częstotliwością wymagało by zmiany elektroniki rejestrującej. Ponieważ obciążanie na obiekcie przyłożone zostanie w sposób statyczny (najazd kolejnych ciężarówek) taka częstotliwość próbkowania została uznana za zadowalającą. 80

11 7. Podsumowanie i dalsze prace Wzrastająca liczba budowlanych obiektów na sieci dróg i kolei oraz poszukiwanie oszczędności w ich użytkowaniu, głównie przez ograniczenie kosztownych remontów i wydłużenie okresu użytkowania, spowodowało, że diagnostyka i monitoring stanu technicznego stały się jednym z najszybciej rozwijających się elementów systemu zarządzania infrastrukturą. Techniki ultradźwiękowe są z powodzeniem wykorzystywane do wykrywania zarysowań oraz zmian w module sprężystości i wytrzymałości. Obecnie trwają prace na poszerzeniem spektrum zastosowań tych metod badawczych. Rozwijana jest elektronika pomiarowa, powstają nowe rodzaje czujników i sposoby przetwarzania sygnału. Algorytmy oparte o analizę fal Coda pozwalają na określenie zmian wilgotności, temperatury i naprężenia w badanym materiale. Dane z takiej instalacji mogą być analizowane na bieżąco lub archiwizowane i po przetworzeniu, pozwolą na uzyskanie większej wiedzy o pracy monitorowanego obiektu. Metoda Coda Wave Tomography pozwala na określanie zmian w prędkości fal akustycznych na znacznym obszarze konstrukcji, dzięki czemu staje się dogodną alternatywą dla obecnie stosowanych punktowych czujników odkształceń. Zaplanowane doświadczenie w Gliwicach pozwoli na porównywanie odczytów z niezależnych instalacji pomiarowych. Na obiekcie przewidziane są dwie próby obciążeniowe. Pierwsza, będąca badaniem specjalnym służącym sprawdzeniu działania i kalibracji układów pomiarowych, druga będzie już standardowym próbnym obciążeniem statycznym i dynamicznym, w którym ocenione zostaną pełne możliwości nowego systemu monitoringu. Podziękowania Autorzy dziękują firmie NeoStrain za udostępnienie aparatury badawczej. Wyniki pomiarów zostaną opracowane i przedstawione w kolejnych pracach. Piotr Klikowicz jest stypendystą w ramach projektu DoktoRIS Program stypendialny na rzecz innowacyjnego Śląska współfinansowanego przez Unię Europejską w ramach Europejskiego Funduszu Społecznego. Literatura [1] BIEŃ J.: Mosty kolejowe uszkodzenia, awarie, katastrofy., Proc. XXIV Konferencja Naukowo- Techniczna Awarie Budowlane. Szczecin-Międzyzdroje, maja 2009, s [2] AKI K., CHOUET B.: Origin of coda waves: Source, attenuation, and scattering effects., J. Geophys. Res., 80/1975, s [3] GRET A.: Time - Lapse Monitoring with Coda Wave Interferometry., Center for Wave Phenomena Colorado School of Mines, CWP-461, May 2003 (Rozprawa Doktorska). [4] KLIKOWICZ P., PRADELOK S., SALAMAK M., ŁAZIŃSKI P.: Specific problems of bridges with big curvature in plan., 9th Central European Congress on Concrete Engineering CCC2013, 4-6 September 2013, Wroclaw, Poland, s [5] NIEDERLEITHINGER E., WUNDERLICH C.: Influence of small temperature variations on the ultrasonic velocity in concret., Proc. The 39th annual review of progress in quantitative nondestructive evaluation, Volume: 31, s [6] NIEDERLEITHINGER E., SENS-SCHONFELDER C., GROTHE S., WIGGENHAUSNER H.: Coda Wave Interferometry used to localize compressional load effects in a concrete specimen., 7th European Workshop on Structural Health Monitoring, 7th European Workshop on Structural Health Monitoring, July 8-11, La Cité, Nantes, France, s [7] NIEDERLEITHINGER E., SENS-SCHONFELDER C., STAHLER S.: Monitoring stress changes in a concrete bridge with coda wave interferometry., Universitat Leipzig, BAM, J Acous. Soc. Am., Vol. 129, April 2011, s [8] NIEDERLEITHINGER E., SHOKOUHI P., STAHLER S., NOWAK T.: Detection of subtle changes in materials by Coda Waves Interferometry., 10th European conference and exhibition on non-destructive testing, Moscow, June 7-1, sec [9] SALAMAK M., KLIKOWICZ P.: Indirect determination of support reactions in concrete bridge elements., 10th CCC Congress, Liberec 2014, p [10] SNIEDER R.: The Theory of Coda Wave Interferometry, Pure and Applied Geophysics 163 (2006) p

12 [11] ZHANG Y., ABRAHAM O., GRONDIN F., LOUKILI A., TOURNAT V., LE DUFF A., LASCOUP B., DURAND O.: Study of stress-induced velocity variation in concrete under direct tensile force and monitoring of the damage level by using rhermally - compensated Coda Wave Interferometry, Ultrasonicks 52/2012 str [12] SNIEDER R:. Coda wave interferometry, McGraw-Hill Yearbook of Science & Technology 2004, McGraw-Hill, New York, 2004, s [13] SALAMAK M., KLIKOWICZ P.: Protections and monitoring of European transportation routes in upper Silesia mining area. 14th SGEM GeoConference on Science and Technologies in Geology, Exploration and Mining, Albena, Bulgaria, June 2014, Volume: 2, s [14] ULTRASONIC METHODS WITH CODA WAVE ANALYSIS IN MONITORING AND DIAGNOSIS OF CONCRETE BRIDGES Bridges, due to its age and condition must be periodically inspected and in reasoned situations should be monitored. The paper presents a new method for the analysis of acoustic Coda waves and its potential applications for concrete bridge diagnostic. It shows also some details of the installation of Structural Health Monitoring system in the concrete bridge in Gliwice. 82