Εργαστηριακές εφαρμογές ακουστικής εκπομπής σε δοκίμια άοπλου και ινοπλισμένου σκυροδέματος

Abstract

Η παρούσα μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στα πλαίσια του Διατμηματικού Προγράμματος Μεταπτυχιακών Σπουδών «Σχεδιασμός και Κατασκευή Υπόγειων Έργων» του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου, κατά το ακαδημαϊκό έτος 2011-2012 με θέμα «Εργαστηριακές Εφαρμογές Ακουστικής Εκπομπής σε δοκίμια άοπλου και ινοπλισμένου σκυροδέματος». Τα τελευταία χρόνια, η εφαρμογή της μεθόδου της Ακουστικής Εκπομπής (ΑΕ) έχει γνωρίσει αλματώδη ανάπτυξη, στο διεθνή και στον Ελλαδικό χώρο, τόσο σε επίπεδο αριθμού χρηστών και συστημάτων ΑΕ, όσο και σε επίπεδο εφαρμογών και αριθμού ελέγχων κατασκευών και υλικών. Αντικείμενο της εν λόγω διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη, εφαρμογή και αξιολόγηση της τεχνικής της Ακουστικής Εκπομπής στο γεωτεχνικό τομέα και συγκεκριμένα στον έλεγχο κατασκευών από σκυρόδεμα. Η παρούσα εργασία αποτελείται από έξι κεφάλαια στα οποία εξετάζονται θέματα όπως οι βασικές αρχές της τεχνικής ΑΕ, η διάδοση και ανίχνευση των ακουστικών σημάτων, τα συστήματα παρακολούθησης ΑΕ, εφαρμογές της τεχνικής ΑΕ στην εξαγωγή συμπερασμάτων όπως η εκτίμηση και η αξιολόγηση της αστοχίας, τα χαρακτηριστικά απόκρισης και η συμπεριφορά του σκυροδέματος υπό τάση, η επεξεργασία-ανάλυση των σημάτων ΑΕ και ο εντοπισμός της θέσης προέλευσης των σημάτων ΑΕ και των κύριων επιπέδων αστοχίας καθώς και ο εντοπισμός του προσανατολισμού και του τύπου των ρωγμών της αστοχίας. Η εργασία αυτή επικεντρώθηκε στην εργαστηριακή πειραματική εφαρμογή σε δοκιμές κάμψης σε δοκίμια άοπλου και ινοπλισμένου σκυροδέματος και την διερεύνηση και αξιολόγηση των αποτελεσμάτων της τεχνικής ΑΕ. Αναλυτικότερα: Στο πρώτο κεφάλαιο, το οποίο αποτελεί την εισαγωγή της παρούσης εργασίας, πραγματεύεται το φαινόμενο της Ακουστικής Εκπομπής, παρατίθενται ορισμοί και παρουσιάζονται συνοπτικά οι βασικές αρχές που διέπουν την τεχνική της ΑΕ, εξετάζεται ο μηχανισμός διάδοσης και ανίχνευσης των ακουστικών σημάτων και οι παράγοντες που επιδρούν σε αυτόν όπως η εξασθένιση των σημάτων ΑΕ. Στο δεύτερο κεφάλαιο περιγράφονται αναλυτικά τα συστήματα παρακολούθησης ΑΕ τελευταίας τεχνολογίας που εφαρμόζονται στο εργαστήριο και δίνεται βάση στα παραμετρικά εργαστηριακά συστήματα ΑΕ που συνήθως χρησιμοποιούνται για εργαστηριακή χρήση. Το τρίτο κεφάλαιο πραγματεύεται μεθοδολογίες οι οποίες έχουν εφαρμοστεί σε προηγούμενες έρευνες ώστε να γίνει κατανοητή η χρησιμότητα των παραμέτρων ΑΕ (π.χ. RMS, ASL, b value, Ib value κ.λ.π.) στη παρακολούθηση της αστοχίας. Οι παράμετροι οι οποίοι παρουσιάζονται αποτελούν δείκτες αξιολόγησης και ερμηνείας της συμπεριφοράς των υλικών που βρίσκονται υπό μηχανική καταπόνηση (πχ θλίψη, κάμψη). Στο τέταρτο και πέμπτο κεφάλαιο παρουσιάζονται οι εργαστηριακές δοκιμές καμπτικού εφελκυσμού που πραγματοποιήθηκαν για τη διερεύνηση - μελέτη του φαινομένου της ΑΕ σε δοκίμια άοπλου και ινοπλισμένου σκυροδέματος. Περιγράφεται η πειραματική διάταξη, η προετοιμασία και η διαδικασία των μετρήσεων, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα των αναλύσεων και αξιολογούνται. Δίνεται ιδιαίτερη βάση στον εντοπισμό της θέσης προέλευσης των σημάτων ΑΕ στο χώρο καθώς και στο εντοπισμό του προσανατολισμού των ρωγμών και την κατηγοριοποίηση του τύπου των ρωγμών (π.χ. εφελκυστικές ή διατμητικές ρωγμές) μέσω του προσδιορισμού του τανυστή των ροπών (moment tensor analysis - sigma analysis). Η διπλωματική εργασία ολοκληρώνεται με το έκτο κεφάλαιο στο οποίο διατυπώνονται γενικά συμπεράσματα και παρατηρήσεις που προέκυψαν κυρίως από εφαρμογές της τεχνικής της ακουστικής εκπομπής που έχουν πραγματοποιηθεί τα τελευταία χρόνια και βεβαίως από την προσωπική πειραματική έρευνα.

The present post graduate thesis was carried out within the post graduated program «Design and Construction of Underground Works» of the National Technological University of Athens N.T.U.A., during the academic year 2011 – 2012 on "Laboratory Applications of Acoustic Emission technique on unreinforced and fiber reinforced concrete specimens. It elaborated by Antonia G. Kypriotaki, Civil Engineer N.T.U.A., under the supervision of Professor Alexander I. Sofianos, Department of Mining Engineering N.T.U.A. In recent years, the application of acoustic emission technique in destructive testing has rapidly increased internationally as well as in Greece, both in terms of users, AE systems and monitoring of structures and materials. The purpose of the thesis is the design, application and evaluation of Acoustic Emission technique in the geotechnical engineering and specifically in monitoring of concrete structures. This project consists of six chapters dealing with issues such as general principles of the acoustic emission technique, wave propagation – detection of acoustic signals, AE monitoring systems, data acquisition analysis and signal processing, the behavior of concrete under tension, the detection of source location of AE signals and the identification of the type of failure. The present diploma thesis focused on laboratory bending tests on unreinforced and fiber reinforced concrete specimens and the investigation and evaluation of the results of AE technique. Specifically: The first chapter is primarily introductory. It is intended for those who seek a general understanding of acoustic emission. It gives definitions, examines the mechanism of propagation and detection of acoustic signals and presents the factors which influence the elastic waves, such as attenuation of AE signals. The second chapter describes in detail the monitoring AE systems applied in the laboratory and is based on parametric laboratory AE systems which are usually used for laboratory use. Chapter 3 includes methodologies – applications that have been applied in previous investigations in order to understand the utility of AE parameters (eg RMS, ASL, b value, Ib value, etc.) in monitoring the failure. The parameters that are presented, are indicators of evaluationand interpretation of materials behavior which are under mechanical stress (eg compression, bending). The fourth and fifth chapter presents standard destructive laboratory bending tests which are incurred for the investigation of AE phenomenon on unreinforced and fiber reinforced concrete specimens. Experimental considerations and instrumentation are emphasized. The results are evaluated and processed in order to identify the source location of AE signals (3d location) and to identify the orientation of the cracks and the classification of their type (eg tensile or shear cracks) by defining the moment tensor (moment tensor analysis - sigma analysis). The thesis concludes with the sixth chapter which sets out general conclusions and observations resulted from the applications of AE technique that have been made in recent years and of course from personal experimental research.