OCENA STANU MATERIAŁÓW W KONSTRUKCJI

Inzynieria Materiałów Budowlanych RA 2009/20010 OCENA STANU MATERIAŁÓW W KONSTRUKCJI mgr inŝ. Tomasz Piotrowski Zgodnie z Prawem Budowlanym: bezpieczeństwo i niezawodność konstrukcji - podstawowymi wymaganiami stawianymi obiektom budowlanym. Wymagania bezpieczeństwa i niezawodności ujęte w dyrektywie europejskiej 89/106/EEC jako wymagania podstawowe dla wyrobów stosowanych w budownictwie: Wytrzymałość mechaniczna i stateczność Bezpieczeństwo poŝarowe Higieniczne, zdrowotne i środowiskowe Bezpieczeństwo uŝytkowania Ochrona przed hałasem Energooszczędność. Wymagania te są pochodną przeznaczenia obiektu budowlanego. 1

W ujęciu teorii stanów granicznych zapewnienie bezpieczeństwa i niezawodności oznacza: nie przekraczanie, w określonych warunkach i załoŝonym czasie uŝytkowania, stanów granicznych nośności i uŝytkowania. W praktyce inŝynierskiej : bezpieczeństwo i niezawodność projektowanych konstrukcji stanu rzeczywistych konstrukcji często uszkodzeniem obiektu budowlanego koniecznością przeprowadzenia naprawy. częstość względna, % częstość względna, % 50 40 30 20 10 0 30 25 20 15 10 5 0 odchyłki od projektu 19 16 16 17 stalowe Ŝelbetowe prefabrykaty murowe drewniane mieszane niewłaściw e knowhow 15 27 rodzaj obiektu Względny udział poszczególnych typów obiektów budowlanych w ogólnej liczbie awarii w latach 1963-98 (L.Runkiewic, 2000) zaniedbania inwestora 34 niskie kwalifikacje wykonawcy 11 przyczyny uszkodzeń konstrukcji 11 niska jakość elementów i złącz 22 21 inne 14 Spośród wszystkich awarii zanotowanych w Polsce od 1963 około 50% dotyczyło róŝnego rodzaju konstrukcji Ŝelbetowych Koszt niezbędnych napraw i remontów obiektów betonowych koniecznych do przeprowadzenia w przeciągu najbliŝszych 20 lat szacuje się na około 1 do 3 10 12 USD, stanowi to od 15 do 50%. ogólnej wartości zasobów budownictwa betonowego]. Dla oceny moŝliwości i celowości naprawy konstrukcji niezbędne jest opracowania diagnozy stanu technicznego obiektu, a przede wszystkim, ustalenie przyczyn jej uszkodzenia DIAGNOSTYKA KONSTRUKCJI śelebtowych Najczęstsze przyczyny awarii budowlanych w latach 1963-98 (L.Runkiewic, 2000) 2

Diagnostyka konstrukcji Ŝelbetowych: wymaga stosowania nowoczesnych metod badawczych i analitycznych pozwalających na dostatecznie dokładną ocenę stanu konstrukcji przed naprawą jak i po naprawie - ocena skuteczności przeprowadzonej naprawy. W powstającym w wyniku naprawy układzie wielowarstwowym najistotniejszym zagadnieniem, z punktu widzenia skuteczności wykonanych prac, jest wdraŝanie do praktyki inŝynierskiej materiał naprawczy (PCC, PC) nowoczesnych metod nieniszczących jako efektywnych i szybkich technik oceny jakości i trwałości konstrukcji betonowych. PODŁOśE BETONOWE ETAPY NAPRAWY UŜytkowanie konstrukcji Diagnostyka stanu konstrukcji Wstępne planowanie naprawy Projekt naprawy ELEMENTY SZCZEGÓLNIE ISTOTNE NA DANYM ETAPIE NAPRAWY Warunki i przebieg uŝytkowania Dokumentacja Konserwacja i utrzymanie konstrukcji Uszkodzenia, ich klasyfikacja i przyczyny MoŜliwości Zasady Metody Zdefiniowanie sposobu uŝycia poszczególnych materiałów Wymagania odnośnie do: - podłoŝa - materiałów naprawczych - prowadzenia prac Wykonanie prac naprawczych Wybór i zastosowanie materiałów i sprzętu Kontrola jakości Zagadnienia BHP Odbiór prac naprawczych Badania odbiorcze Prace zapobiegawcze Opracowanie dokumentacji Etapy naprawy wg ENV-1504 3

Decyzję o wyborze sposobu naprawy i stosowanych materiałach poprzedza się zwykle diagnozą stanu technicznego konstrukcji (objawy uszkodzeń i występujące obciąŝenia) Na konstrukcję mogą wpływać czynniki mechaniczne, chemiczne, biologiczne, termiczne i elektromagnetyczne. ZaleŜnie od częstości działania obciąŝeń rozróŝnia się oddziaływania: stałe: spowodowane grawitacją, parciem gruntu i wody, odkształcenia wymuszone w trakcie budowy itp., zmienne: obciąŝenia uŝytkowe stropów, dachów i innych części obiektu, obciąŝenia śniegiem i lodem, obciąŝenia wiatrem (statyczne i dynamiczne), obciąŝenia wodą i falami, oddziaływania termiczne, mróz, obciąŝenia silosów i zbiorników, obciąŝenia ruchem na powierzchniach jezdnych, oddziaływania dynamiczne maszyn, obciąŝenia w trakcie budowy, itp., wyjątkowe: uderzenia, wybuchy, oddziaływania sejsmiczne, oddziaływania spowodowane ogniem, itp. DIAGNOSTYKA OBIEKTÓW BUDOWLANYCH diagnostyka diagnostyka okresowa okresowa wymagana wymagana uŝytkowaniem uŝytkowaniem obiektu obiektu diagnostyka diagnostyka doraźna doraźna uszkodzenie uszkodzenie lub lub istotne istotne nieprawidłowości nieprawidłowości w pracy pracy obiektu obiektu diagnostyka diagnostyka docelowa docelowa planowana planowana modernizacja modernizacja obiektu obiektu lub lub zmiana zmiana przeznaczenia przeznaczenia nieprawidłowości nieprawidłowości w pracy pracy obiektu obiektu Przegląd Przegląd techniczny techniczny Wykonywany Wykonywany w czasie czasie uŝytkowania uŝytkowania zgodnie zgodnie z z programem programem utrzymania utrzymania obiektu obiektu ( ( siłami siłami własnymi własnymi uŝytkownika uŝytkownika lub lub zespół zespół specjalistów) specjalistów) Badania Badania techniczne techniczne (ekspertyza) (ekspertyza) Wykonywane Wykonywane przez przez rzeczoznawców rzeczoznawców na na zlecenie zlecenie uŝytkownika, uŝytkownika, właściciela właściciela lub lub nadzór nadzór budowlany budowlany Dalsze uŝytkowanie obiektu (konserwacja i drobne naprawy) Ocena jednoetapowa Ocena dwuetapowa 4

Badania techniczne (ekspertyza) Wykonywane Wykonywane przez przez rzeczoznawców rzeczoznawców na na zlecenie zlecenie uŝytkownika, uŝytkownika, właściciela właściciela lub lub nadzór nadzór budowlany budowlany Ocena jednoetapowa Wizja lokalna (przedmiot, cel i zakres oceny) Program badań i analiz Analiza dokumentacji i warunków uŝytkowania obiektu (w tym agresywność środowiska) Badania elementów in-situ (wytrzymałościowe, fizyczne, chemiczne, geodezyjne, geotechniczne, radiologiczne, specjalne) Badania laboratoryjne pobranych próbek Analiza obliczeń cieplno-wilgotnościowych Analiza stanu granicznego nośności i uŝytkowania obiektu Ocena zachowania się elementów i konstrukcji Wnioski dotyczące materiałów i elementów konstrukcji oraz dalszego uŝytkowania Zalecenia dotyczące napraw, wzmocnień i modernizacji obiektu Badania techniczne (ekspertyza) Wykonywane Wykonywane przez przez rzeczoznawców rzeczoznawców na na zlecenie zlecenie uŝytkownika, uŝytkownika, właściciela właściciela lub lub nadzór nadzór budowlany budowlany Ocena dwuetapowa Etap I: Wizje lokalne - wstępna inwentaryzacja Szacunkowa ocena materiałów i stanu obiektu Ocena wstępna; zalecenia doraźne; program badań i analiz szczegółowych Etap II: Szczegółowa analiza dokumentacji i warunków uŝytkowania obiektu (w tym agresywność środowiska) Badania elementów in-situ (wytrzyma-łościowe, fizyczne, chemiczne, geodezyjne, geotechniczne, radiologiczne, specjalne) Badania laboratoryjne pobranych próbek Analiza obliczeń cieplno-wilgotnościowych Analiza stanu granicznego nośności i uŝytkowania obiektu Ocena zachowania się elementów i konstrukcji Wnioski dotyczące materiałów i elementów konstrukcji oraz dalszego uŝytkowania Zalecenia dotyczące napraw, wzmocnień i modernizacji obiektu 5

BADANIA DIAGNOSTYCZNE: obserwacje wizualne - badania makroskopowe: obecność obszarów zawilgoconych, wykwitów i przebarwień, występowanie rys, pęknięć i innych uszkodzeń betonu, niewłaściwe zabezpieczenia cieplne, wilgotnościowe, akustyczne, uszkodzenia wypraw, okładzin, izolacji, połączeń itp., sąsiadujące istniejące lub projektowane obiekty (źródła drgań, wykopy, itp.) zagroŝenie poŝarowe, badania instrumentalne konstrukcji (lub jej elementów): ocena stanu i właściwości podłoŝa gruntowego (badania geotechniczne) ocena przemieszczeń konstrukcji (badania geodezyjne, fotogrametryczne), lokalizacja i opis uszkodzeń (badania fotogrametryczne, badania termowizyjne) ocena wytrzymałości na ściskanie betonu i jego jednorodności badania niszczące: na pobranych z konstrukcji próbkach betonu, badania seminieniszczące: np. wyrywanie kotew (pull-out), odrywanie krąŝków stalowych (pull-off), badania nieniszczące: sklerometryczne i ultradźwiękowe, lokalizacja i ocena stanu zbrojenia stalowego, głównie badania nieniszczące (ultradźwiękowe, elektrochemiczne i elektromagnetyczne, radiograficzne), występowanie defektów struktury betonu głównie badania nieniszczące, ultradźwiękowe, elektrochemiczne i elektromagnetyczne, radiograficzne, 6

badania laboratoryjne, stosowane głównie w celu: oceny głębokości zobojętnienia betonu, oceny alkaliczności betonu, oceny stopnia skorodowania betonu, w tym zawartości jonów chlorkowych i siarczanowych, ocena stopnia agresywności środowiska Inspekcja wizualna Inspekcja wizualna - jedna z najpowszechniej stosowanych metod badań nieniszczących Wstępny krok przy diagnozowaniu stanu elementów konstrukcji budowlanych. Efektywność zaleŝy przede wszystkim od znajomości problematyki i doświadczenia eksperta budowlanego. Wiedza z zakresu inŝynierii materiałów budowlanych i metod konstrukcyjnych, jest niezbędna aby móc wyciągnąć jak największą ilość istotnych informacji z inspekcji wizualnej. Typowa inspekcja wizualna powinna zawierać następujące czynności: wykonanie wstępnej inspekcji wizualnej, aby zapoznać się z strukturą badanej konstrukcji, zebranie podstawowych dokumentów i informacji dotyczących projektu, konstrukcji, obsługi i warunków pracy danej konstrukcji, opracowanie harmonogramu, wykonanie dokładnej wizji lokalnej oraz wykonanie wszelkich dostępnych, moŝliwych testów na miejscu i pobranie odpowiednich próbek. 7

metody seminiszczące i nieniszczące metody oceny wytrzymałości betonu in-situ: metody sklerometryczne, metoda czasu przejścia fali ultradźwiękowej, penetracja sondą, metoda break-off metoda pull-out, metoda pull-off metody oceny jednorodności struktury: inspekcja wizualna, propagacja fal spręŝystych Ground penetrating radar metody elektromagnetyczne, metody radiograficzne. termografia podczerwona Probe Penetration (Penetracja za pomocą sondy) Wstrzelenie sondy z twardego metalu np. stali w beton i pomiarze długości wystającej części sondy, a następnie oszacowaniu zaleŝności pomiędzy siłą potrzebną do wstrzelenia sondy a długością wystającego stalowego rdzenia przy znanej jego długości całkowitej. Na tej podstawie szacuje się wytrzymałość na ściskanie Sonda penetruje w głąb dopóki energia kinetyczna zmagazynowana w wyniku wstrzelenia nie zostanie pochłonięta przez strukturę betonu. Siła potrzebna do wstrzelenia sondy zaleŝy od rodzaju (typu) betonu. Sonda zostanie wstrzelona znacznie głębiej w beton o strukturze bardziej miękkiej, a płycej w beton o strukturze twardej. W przypadku konstrukcji Ŝelbetowych stosowanie tej metody jest ograniczone ze względu na obecność otuliny zbrojenia, która z reguły IMB jest 2009/2010 słabsza - NDT niŝ pozostała część struktury betonu. 8

Break-off test Pomiar siły potrzebnej do oderwania specjalnie zaformowanej próbki (rdzenia) z konstrukcji betonowej. W przypadku nowych konstrukcji rdzeń jest formowany poprzez umieszczenie specjalnej tulei wykonanej z tworzywa sztucznego w świeŝym betonie. W momencie uzyskania przez beton wstępnej wytrzymałości następuje usunięcie tulei. Po uzyskaniu przez beton wymaganej wytrzymałości (28-dniowej) następuje oderwanie próbki od podłoŝa. Interpretacja wyników polega na określeniu zaleŝności między wytrzymałością na zerwanie, a wytrzymałością betonu na ściskanie (funkcją nieliniowa, zazwyczaj funkcja kwadratowa). Metoda nie zalecana dla betonów zawierających frakcje kruszywa większe od 25 mm. Ocena wytrzymałości betonu na ściskanie metodą Pull-out Nazwa Pull-out jest to termin określający grupę metod badawczych, których główne załoŝenie opiera się na pomiarze wartości siły potrzebnej do wyrwania wcześniej osadzonej w badanym materiale stalowej kotwy, której kształt jest zaleŝny od przyjętego rozwiązania technicznego. Na podstawie wartości siły potrzebnej do wyrwania kotwy P określa się skorelowaną z nią wytrzymałość betonu na ściskanie fc (kostka 150mm): fc,cub = 1,41P - 2,82 - beton 50 MPa PN-EN 12504-3: fc,cub = 1,59P - 9,52 - beton > 50 MPa 9

obiekt istniejący - kotwy osadza się w otworach nawiercanych w konstrukcji konstrukcje nowopowstające - kotwy osadzane są w betonie póki jest on jeszcze gęstoplastyczny, nie zaburzając jego struktury. Metody Pull out stosowane są w przypadkach gdy: potrzebne jest szybkie dokonanie oceny wytrzymałości betonu na ściskanie bezpośrednio w konstrukcji przeprowadza się badania określające aktualny stan techniczny obiektu przeprowadza się badania mające na celu określenie istnienia potrzeby modernizacji lub remontu obiektu w tym przy ocenie bezpieczeństwa konstrukcji w przypadku zagroŝenia awarią nie moŝna (brak technicznych moŝliwości) wykonać odwiertów kontrolnych gdy przeprowadza się kontrolę stanu technicznego obiektu w związku z zastrzeŝeniami (wątpliwościami) dotyczącymi jego jakości. Metoda ta jest niezaleŝna od parametrów materiałowych (rodzaj cementu, zawartość dodatków lub domieszek, włókien itp) i technologicznych. MoŜna ją stosować z wyjątkiem betonów lekkich oraz betonów o uziarnieniu kruszywa większym niŝ 32 mm. 10

Metoda Pull-off d krąŝek stalowy (C) (d=50 mm, t p >30 mm) Istotą metody Pull-off - pomiar wytrzymałości na odrywanie od badanej powierzchni stalowego krąŝka o określonej średnicy (najczęściej 50mm) a następnie oderwaniu go przy uŝyciu siłownika hydraulicznego. t p powłoka (A) podłoŝe betonowe (S) st s = 5-10 mm p t c t 0 Uzyskana wartość siły jest miarą wytrzymałości na rozciąganie badanego materiału lub teŝ wytrzymałości na odrywanie danej warstwy od podłoŝa. Zakres stosowania metody pull-off: ocenę wytrzymałości na rozciąganie warstw przypowierzchniowych konstrukcji betonowych ocenę wytrzymałości na rozciąganie podłoŝa betonowego przed i po wykonaniu naprawy kontrolę przyczepności materiałów naprawczych oraz warstw nawierzchniowych do powierzchni betonowych 11

5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 Floor 2mm 0,5 Floor 5mm 0,0 H 0mm 7mm 15mm 25mm Concrete: B15 H 0mm 7mm 15mm 25mm Concrete: B30 H 0mm 7mm 15mm 25mm Concrete: B60 Floor 10mm 5,5 5,0 4,5 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 Floor 5mm 0,5 Floor 15mm 0,0 h 7mm 25mm 0mm 15mm Concrete: B15 h 7mm 25mm 0mm 15mm Concrete: B30 h 7mm 25mm 0mm 15mm Concrete: B60 Floor 30mm 12

Badania sklerometryczne Metody sklerometryczne opierają się na korelacji twardości i wytrzymałości materiału. Zasada pomiaru sklerometrem polega na określeniu odległości, o jaką odskakuje cięŝar po uderzeniu w materiał z określoną siłą, wywołanym za pomocą systemu spręŝynowego. Sklerometr ustawia się prostopadle do badanej powierzchni. Odczyt na skali nazywa się liczbą odbicia. Ocena wytrzymałości materiału polega na opracowaniu wyników z odpowiedniej ilości punktów pomiarowych metodami statystycznymi i ustaleniu zaleŝności regresyjnej między wytrzymałością na ściskanie a liczbą odbicia. Sposób prowadzenia pomiarów oraz zasady opracowania wyników zawarte są w szeregu wytycznych oraz normach przedmiotowych, np. Instrukcja ITB Nr 210. Coma meter Kontrola stopnia dojrzałości betonu czyli wzrostu jego wytrzymałości w trakcie procesu dojrzewania. Jej istota polega na odniesieniu stanu zaawansowania tego procesu w danych warunkach zewnętrznych do okresu normowego dojrzewania betonu w temperaturze 20 O C. Urządzenie słuŝące do pomiaru składa się ze szklanej kapilary zawierającej barwną ciecz, która odparowuje proporcjonalnie do wydzielanego w czasie procesu twardnienia betonu ciepła. Kapilara ta jest przymocowana do odpowiedniej skali z naniesioną podziałką wyraŝającą stopień dojrzałości betonu. Całość jest umieszczona w szklanej rurce zamkniętej od góry za pomocą zakrętki. Czujniki umieszcza się w świeŝej mieszance betonowej. Praktyczne wykorzystanie tej metody uzasadnione jest wszędzie tam, gdzie potrzebna jest znajomość stopnia zaawansowania procesu twardnienia betonu dla zapewnienia bezpiecznego i szybkiego prowadzenia robót. 13

Badania chemiczne betonu (wg Instrukcji ITB 361/99) Cel: ocena stopnia i głębokości zobojętnienia (skarbonatyzowania) betonu oraz stopnia zaawansowania korozji, zawartość jonów chlorkowych i siarczanowych Głębokość skarbonatyzowania na próbkach pobranych z konstrukcji: a) Źródło fal spręŝystych głowice ultradźwiękowe (np. piezoelektryczne) uderzenie mechaniczne (np. kulki stalowe) powierzchniowe fale Rayleighe a P,S -fale krawędziowe P, S - fale płytowe b) c) pierwszy pik od fali R R-wave arrival dotarcie fali R szybka transfomata Fouriera pik częstotliwości dotarcie fali P czas częstotliwość 14

PodłuŜne (ściskające) Poprzeczne (ścinające) Typ fali Symbol Sposób drgań cząstek ośrodka Fale powierzchniowe (Rayleighe'a) Fale płytowe P S R Giętne Uwagi MoŜliwość propagacji w ciałach stałych, ciekłych i gazowych MoŜliwość propagacji tylko w ciałach stałych Głębokość penetracji zbliŝona do długośći fali (Lamba) L Dylatacyjne Występują tylko ciałach stałych płytowych ruch fali charakteryzuje: okres fali T długość fali λ, częstotliwość, f szybkość fali λ = c T = c f Prędkość rozchodzenia się fal podłuŝnych c L (ms -1 ) w ciałach stałych zaleŝy od stosunku długości fali do rozmiarów ośrodka i jest określona następującym wzorem: a) w ośrodku nieograniczonym gdzie: E - moduł spręŝystości podłuŝnej, Pa ρ - gęstość materiału, kgm -3 ν - liczba Poissona; c L = E 1 ν ρ 2 ( 1 + ν ) ( 1 ν ) b) w ośrodku ograniczonym, tzn jeden lub dwa wymiary prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fali są ograniczone, np. płyta a > λ, b > λ c L 1 = E ρ 2 1 ν 15

UP-E D = c P t/2 A FRP adhesive first echo t Pull-off strength, MPa 8 6 4 2 0 tile adhesive concrete 0 0,5 1 1,5 2 40 w/c Tan et al.., 1996 of adhesive 90 80 70 60 50 Relative amplitude, % concrete Rozkład grubości posadzki Ŝywicznej Bastianini 2001, Kundu, 1999 Garbacz & Garboczi, 2003 16

UPV: X czas przejścia, µ s x3,t3 x2,t2 x1,t1 pozycja rysy V d V s P1 P2 d 400 odległość między głowicami czas przejścia, µ s 300 200 100 Czas przejścia, T Xo Vo Xo d = 2 Vc Vs Vd Vs + Vd 0 odległość między głowicami Odległość między głowicami, X Spectral Analysis of Surface Waves, SASW R wave impact R wave X λ f = 360 X/φ f λ f długość fali składowej o częstotliwości f X odległość między głowicami; φ f - kąt fazowy składowej o częstotliwości f Analiza spektralna widma częstotliwości fal powierzchniowych Rayleigh a generowanych w systemie powłokowym; rejestrowany sygnał jest analizowany w celu otrzymania zaleŝności prędkości fazowej od częstotliwości 17

zastosowanie ograniczenia określanie profilu sztywności nawierzchni, pomiar zmian właściwości spręŝystych płyt betonowych podczas dojrzewania, badanie jakości zespolenia w układach wielowarstwowych konieczność porównywania doświadczalnych krzywych dyspersji z krzywymi teoretycznymi czasochłonna procedura, trudność interpretacji wyników, Impact-Echo UwaŜana za jedną z najbardziej obiecujących metod nieniszczącej oceny stanu konstrukcji betonowych. Zasada działania zjawisko propagacji fali spręŝystej w materiale, powstającej w wyniku uderzenia badanego obiektu kulką stalową. Odbiornik R Uderzenie 0,56 0,62 1,0 S P Zestaw impaktorów R fala Rayleigh a S fala poprzeczna P fala podłuŝna Komputer do zbierania i analizy danych 18

I-E: Analiza widm częstotliwości [siła] FFT czas kontaktu [czas] uderzenie przetwornik [czas] FFT Szybka transformata Fouriera Granice wykrywalności Lmin λ Uderzenie Tmin > 0,5λ Tmax < 4λ głębokość połoŝenia T i wielkość L wykrywalnej wady [mm] 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0 Tmax 2 4 6 8 10 12 14 16 średnica kulki [mm] Lmin Tmin I-E: Impact-Echo - Zastosowania: -Ocena grubości elementów przy jednostronnym dostępie, -Ocena integralności elementów konstrukcji, -Ocena głębokości rys powierzchniowych, -Ocena właściwości strukturalnych materiału, -Lokalizacja zbrojenia w betonie i ocena stopnia jego korozji, -Ocena stanu układów wielowarstwowych, powstających w wyniku naprawy lub modernizacji konstrukcji betonowych PN-EN 1504-10:Wyroby i systemy do ochrony i napraw konstrukcji z betonu. Stosowanie wyrobów i systemów na placu budowy oraz kontrola jakości prac 19

D 1 D 2 D 1 > D 2 t c 4,4 D (D w m ) µ d 0,5λ l λ Najmniejszy wymiar wady i głębokości jej występowania moŝliwy do wykrycia metodą impact-echo zaleŝnie od wymiaru kulki stalowej 1 2 3 4 5 6 7 Czas Maksymalna Minimalna Min. głębokość Max. głębokość kontaktu częstotliwość długość fali Wielkość kulki Minimalna wielkość defektu defektu o wielkość L defektu o wielkość L D T f max l L Dmin dmax (mm) (ms) (khz) (mm) (mm) (mm) (mm) 4 18 69 58 58 28 232 5 22 57 70 70 35 280 6,5 29 43 91 91 45 364 8 35 36 112 112 56 448 9,5 42 30 133 133 66 532 11 48 26 154 154 77 612 12,5 55 23 175 175 88 700 15 66 19 210 210 105 840 1 2 : t C 0,0044 D 2 3 : f MAX 1250 t C 3 4 : λ = C P / f MAX 4 5 : L > λ 5 6 : d MiN > λ/2 6 7 : d Max < 4L 20

NajwaŜniejsze zastosowania metody impact-echo w diagnostyce konstrukcji betonowych: -wykrywania wszelkiego rodzaju rozwarstwień wewnętrznych, efektów plastra miodu, itp, -oceny grubości elementów konstrukcji betonowych dostępnych jednostronnie, - oceny głębokości rys powierzchniowych, -oceny zagroŝenia korozyjnego kabli spręŝających, -wykrywania nieciągłości w warstwach izolacyjnych bez dostępu z zewnątrz, -oceny prawidłowości wypełnienia rys we fragmentach konstrukcji istniejących, -oceny stanu integralności elementów Ŝelbetowych, -oceny właściwości materiałowych (porowatość, mikropęknięć, etc.), 21

AMPLIT UDA Odbicie od spodniej warstwy elementu AMPLIT UDA CZĘSTOTLIWOŚĆ [khz] AMPLITU DA CZĘSTOTLIWOŚĆ [khz] Odbicie od wady (delaminacja na małej głębokości) CZĘSTOTLIWOŚĆ [khz] Element Przekrój poprzeczny elementu Równanie częstotliwości dominującej Wzór widma struktury przekroju elementu Płyta UDERZENIE T f T = 0,96 C / 2T A M PL IT U D A f T CZĘSTOTLIWOŚĆ [khz] Kolumna okrągła UDERZENIE f 1 = 0,92C / 2D A M PL IT U D A f 1 D CZĘSTOTLIWOŚĆ [khz] Kolumna kwadratowa / belka UDERZENIE D D f 1 = 0,87C / 2D A M PL IT U D A f 1 CZĘSTOTLIWOŚĆ[kHz] 22

UDERZENIE A M PL IT f 1 B U D A Kolumna prostokątna / belka D f 1 = βc / 2D gdzie: β = f(b,d) (por rys.14) CZĘSTOTLIWOŚĆ[kHz] UDERZENIE A B D M PL A IT M f 1 F U PL 1 D IT A U D A F T CZĘSTOTLIWOŚĆ[kHz] CZĘSTOTLIWOŚĆ[kHz] UDERZENIE Cylinder drąŝony / rura T F l = βc / 2D F T = 0.96C / 2T gdzie: β = f(d,t) AMPLITUDA F1 FT D CZĘSTOTLIWOŚĆ[kHz] T yp elem entu Przekrój poprzeczny W idm o częstotliw ości elem entu zaw ierającego defekt P łyta K o lu m n a kw adratow a, lub b e lk a K o lu m n a lu b belka prostokątna C ylinder drąŝony u d e rz e n i e 23

Szacowanie głębokości rys powierzchniowych D = ( c p t + A ) 4 1 2 A 2 D głębokość rysy, mm, cp rzeczywista prędkość fali, m/s, t interwał czasu, µs, A1, A odległość miejsca wzbudzenia od głowic odbiorczych Wykrywanie niedoiniektowanych kanałów kabli spręŝających Pustka powietrzna Zbrojenie Stalowy kabel spręŝający Beton Kanał kabla zainiektowany zaczynem cementowym Beton A mp litu da kabel pustka powietrzna kanał zainiektowany poprawnie kanał niewypełniony 0 10 20 30 Częstotliwość [khz] 24

mobility, m/s N Metoda Impulse-response pustki pod płytą betonową brak pustek Metoda podobna do I-E. Fala spręŝysta generowana za pomocą specjalnego młotka z gumową końcówką umoŝliwiającego rejestrację siły i czasu uderzenia. Geofon ulokowany blisko źródła fali rejestruje drgania powierzchni. Sygnał przekształcany jest w tzw. wykres: mobility (prędkość drgań geofonu/siła uderzenia) w funkcji częstotliwości Zastosowania: badanie jednorodności betonowych konstrukcji masywnych, głównie pali i głębokich fundamentów wykrywanie pustek pod płytami betonowymi na gruncie, wykrywanie defektów w układach wielowarstwowych częstotliwość 25

curling płyt betonowych ograniczenia: skomplikowana procedura interpretacji wyników, wyniki uzaleŝnione od geometrii badanego obiektu, brak moŝliwości wykrycia defektów w elementach o rozmiarach większych niŝ 30 m lub gdy stosunek długości do wymiaru poprzecznego elementu większa niŝ 30 Ground-penetrating radar (GPR) Metoda GPR podobna do metody ultrasonic pulse-echo, zamiast impulsu fali ultradźwiękowej jest uŝywany impuls fali elektromagnetycznej Metoda echa lub przepuszczania; 26

GPR zastosowanie: wykrywanie rozwarstwień i wad, lokalizacja prętów zbrojeniowych w elementach Ŝelbetowych, pomiar grubości nawierzchni, określanie zawartości wilgoci, określanie zawartości chlorków Radarogram pokazujący przekrój podstawy zbiornika betonowego (a) przed naprawą i (b) po naprawie; wyraźna zmiana widma po wypełnieniu pustek powietrznych GPR ograniczenia: niewłaściwa ocena wartości stałych dielektrycznych moŝe powodować duŝe błędy, potrzeba eksperta do interpretacji wyników pomiarów, wyniki zaleŝne od warunków otoczenia, przy których prowadzony jest pomiar: metoda nie powinna być stosowana do badań betonu w stanie nasycenia, 27

Metody termograficzne Nieniszcząca metoda do lokalizacji defektów struktury materiału znajdujących się blisko jego powierzchni. Strefa ciepła Strefa zimna Opiera się ona na dwóch zasadach: Pierwsza zasada - Powierzchnia emituje promieniowanie elektromagnetyczne z intensywnością zaleŝną od temperatury. Przy temperaturze pokojowej promieniowanie elektromagnetyczne znajduje się w zakresie światła widzialnego, Druga zasada - obecność defektów czy wad mających niŝszą zdolność przewodzenia ciepła niŝ otaczający je materiał będzie wpływała na inną reakcję tych defektów ze strumieniem ciepła a co za tym idzie, niŝszą temperaturę powierzchni materiału przy której anomalia te występują. W praktyce do pomiarów temperatury powierzchniowej uŝywane są skanery podczerwieni pracujące podobnie do kamery video. Efektem pomiarów tymi skanerami są wykresy termograficzne róŝnicy temperatur. Obecność defektu w materiale wpływa na rozkład temperatury na jego powierzchni przy przepływie przez ten materiał strumienia gorącego powietrza. Obecność uszkodzeń w betonowej płycie, miejscowe delaminacje powodują rozrywanie strumienia ciepłego powietrza płynącego przez płytę i wpływają na temperaturę powierzchniową. Kiedy powietrze wpływa do płyty przez powierzchnię przy której istnieje defekt obserwuje się znacznie wyŝszą temperaturę tej części powierzchni która znajduje się bezpośrednio nad uszkodzeniem. W przypadku, gdy strumień powietrza wypływa przez powierzchnię przy której istnieje uszkodzenie, w części powierzchni która znajduje się nad defektem rejestruje się temperaturę niŝszą od temperatury powierzchni pod którą uszkodzenia nie występują. Przez pomiar temperatur na powierzchni płyty moŝna stwierdzić obecność defektu. Materiał Stal Lód Beton Powietrze Zdolność przewodzenia [J/s*m* o C] 46 1,7 0,8 0,024 28

Termowizja Zastosowanie: lokalizacja mostków termicznych lokalizacja defektów połoŝonych blisko powierzchni krótki czas skanowania duŝych powierzchni Ograniczenia: potrzeba eksperta do interpretacji wyników pomiarów wyniki zaleŝne od warunków otoczenia, przy których prowadzony jest pomiar (szybkość wiatru, temperatura otoczenia) oraz jakości powierzchni Metody elektromagnetyczne Metody elektryczne Zastosowanie: ocena jakości i stanu betonu, moŝliwość lokalizacji zbrojenia, szacowanie grubości otuliny wokół zbrojenia, Ograniczenia: wraŝliwość na stan podłoŝa betonowego (zmiany stałych dielektrycznych na skutek zawilgocenia podłoŝa), trudność interpretacji wyników Zastosowanie: określanie stopnia korozji prętów zbrojeniowych, monitorowanie szybkości korozji, ocena głębokości i rozkładu stopnia zawilgocenia betonu Ograniczenia: konieczność połączenia ze zbrojeniem zbrojenie powinno tworzyć obwód zamknięty brak moŝliwości prowadzenia pomiarów w przypadku prętów zabezpieczonych powłokami polimerowymi lub galwanizowanicznymi, 29