ОСОБЛИВОСТІ ЗАСТОСУВАННЯ МЕТОДУ АЕ ДЛЯ ДІАГНОСТИКИ СТАНУ МОСТІВ.
C.В. Прохоренко 1, П.М.Коваль 2, В.Я. Прохоренко 1,3,
П.М. Сташук 2, П. Легутко 3
1 Національний університет “Львівська політехніка“. Україна.
2 Державний дорожній науково-дослідний інститут ім. М.Шульгіна, Україна - Київ
3 Жешівський університет. Жешів - Польща
ОСОБЛИВОСТІ ЗАСТОСУВАННЯ МЕТОДУ АЕ ДЛЯ ДІАГНОСТИКИ СТАНУ МОСТІВ.
a. Вступ
Не викликає сумніву, що мости як за значимістю, так і за умовами експлуатації слід віднести до найважливіших державних споруд. Великі статичні навантаження мостів супроводжуються також значними динамічними та знакозмінними, що викликає втомне руйнування металевих конструкційних матеріалів. Конструкції мостів піддаються руйнівній дії атмосферної, водної та ґрунтової корозії. Широкий діапазон періодичних температурних змін з циклічним замерзанням-відтаюванням у ряді випадків викликає значну пластичну деформацію та розтріскування крихких конструкційних матеріалів. Нарешті, оскільки мости являють собою споруди найбільш тривалої експлуатації, то не можна нехтувати впливами тектонічного походження та техногенних катастроф, а також зміною матеріалів та технологій ремонту.
Нагромаджений тисячоліттями досвід проектування та експлуатації мостів беззаперечно підтверджує незамінимість натурних випробувань мостових конструкцій. Разом з тим впроваджуються нові фізичні методи контролю стану конструкції, перш за все - метод акустичної емісії (АЕ). При цьому доцільно впроваджувати взаємоконтроль усталених і новітніх методів діагностики. Самостійною і дуже важливою задачею є моніторинг стану мостів в умовах неперервної експлуатації з наростаючими транспортними потоками.
Доцільність використання методу АЕ паралельно із традиційними статичними методами діагностики мостів зумовлена рядом переконливих аргументів.
1. Відомо, що розмір дефекту не може бути оптимальним та достатнім критерієм ступеню його шкідливості. Оскільки методика АЕ реєструє лиш ті дефекти, що розвиваються в умовах проведення експерименту, чи в умовах експлуатації, то виникає об’єктивна можливість перегляду критеріїв оптимальної класифікації ступеня реальної небезпечності дефектів [1, 2].
2. Метод АЕ аналізує інформацію від цілого виробу, у тому числі і від недоступних його частин, тому при встановленні декількох давачів можна забезпечити також локацію дефектів.
3. Безперечна перевага методу полягає у тім, що положення та орієнтація дефектів не впливають на ступінь їх проявлення у спектрі АЕ.
b. Результати дослідження технічного стану мостів
Отримано результати обстеження двох принципово відмінних за конструкцією та часом експлуатації мостів.
Міст через річку Уж у м. Ужгороді будувався у 1992-96 роках, будівництво було незакінчене і будова була завершена у 2006 році. Статична схема мосту - нерозрізна, шестипрогонова балочна. Прогонова будова виконана зі збірних залізобетонних попередньо напружених плит П-15 та П-18, об’єднаних у нерозрізну систему. Берегові опори (0 та 6) - залізобетонні, однорядові, обсипні, виготовлені з буронабивних паль. Проміжні опори залізобетонні, 4-стійкові, з розтверком, на буронабивних палях (2 ряди по 9 паль). Опорні частини металеві, каткові, діаметром 90мм. Довготривалість і перерви в будівництві призвели до постійного зволоження залізобетонних конструкцій, зниження щільності, розвитку процесу карбонізації. Вода потрапляла у пустоти і відбувалося руйнування бетону у результаті циклічного заморожування.
Для статичних випробувань використовували рухоме навантаження загальною вагою 135т. Характер епюр прогинів свідчить про забезпеченість поперечної та вертикальної жорсткості прогонової будови.
Реєстрація та обробка сигналів акустичної емісії здійснювалася з використанням програмно-технічного комплексу "АКЕМ 6.22m". Давач АЕ встановлювався на металевому звуководі, зафіксованому у бетонній поверхні залізобетонної конструкції прогонової будови. Звуководом є металевий стержень довжиною 190мм та діаметром 8мм, виготовлений із гарячекатаної арматурної сталі 35ГС. На одному кінці, паралельно його осі, зроблено горизонтальну площадку для давача АЕ. Встановлення звуководу виконувалось таким чином: · у бетоні висвердлювався отвір глибиною 40мм та діаметром 8 мм (свердлом діаметру 7.5 мм, з наступним роззенковуванням отвору - отриманий отвір уможливлював щільну посадку звуководу). У отвір, попередньо змащений контактним матеріалом (силіконове мастило), акустично-прозорим у діапазоні реєстрації АЕ-сигналів, зачеканювався звуковід. Після нанесення мастила на акусто-контактну поверхню, до неї притискався АЕ-давач (рис.1). Притискання виконувалося струбциною з еластичними притисками.
Рис.1. Схема закріплення давача АЕ на звуководі.
Реєстрацію та аналіз сигналів АЕ у процесі статичних випробувань проводили після зупинки автомобілів в місцях, визначених схемами випробувань. Інформація реєструвалась на протязі 40-60с, починаючи з хвилини по гальмуванню транспортних засобів (встановленню навантаження).
Обробка критеріальної оцінки виявлених сигналів АЕ від тріщин проводилася за коефіцієнтом Кр [1].
Згідно теоретичних положень параметр Кр характеризує ступінь зміни густини енергії в зареєстрованому сигналі АЕ та використовується для виявлення та аналізу сигналів від тріщин. Для його визначення використовують формулу:
K_pj =lg (Et_j / Wt_j ^2) (1)
де: Еt_j - енергія від j-го зареєстрованого сигналу АЕ; Wt_j - тривалість зареєстрованого сигналу АЕ. Схему отримання даних та обробки інформації АЕ приведено на рис.2.
Рис.2 Зображення елементарного сигналу АЕ,
згенерованого зростаючою тріщиною та схема його генерації і
обробки та реєстрації його огинаючої комплексом AKEm.
При встановленні давача АЕ у акустощільному контакті з матеріалом - значення критичного рівня виділення сигналів АЕ від тріщин (за даними попередніх експериментальних досліджень) було прийнято перевищення рівня сигналу 3,5 за параметром Кр.
Рис.3 Часова залежність та гістограма параметру Kp сигналів АЕ, що виникли при асиметричному навантаженні опори №1 у 8 машин, що відповідає рівню навантаження у 1350 кН.
Результати обробки критеріальної оцінки Кр показали відсутність суттєвих сигналів для більшості схем навантажень прольотів.
Єдина зафіксована група сигналів (приведена на рис.3) була зареєстрована при асиметричному навантаженні (вісім машин) опори, в околі котрої розташовані давачі. Раптовий процес випромінювання сигналів АЕ (зафіксовані значення Kp над штрих-пунктирною лінією) без подальшого розвитку під навантаженням свідчить про протікання локалізованого у просторі та часі процесу внутрішнього мікротріщиноутворення.
Відсутність сигналів АЕ в конструкції прогону при інших варіантах завантаження свідчить про протікання локального процесу руйнування на згаданому етапі, котрий не несе загрози для несучої здатності прогонової будови моста. При цьому достатня чутливість та не занадто високий поріг дискримінації підтверджується також наявністю сигналів, котрі реєструвалися у момент гальмування техніки на поверхні мосту (рис.4).
Рис.4 Часова залежність та гістограма параметру Kp сигналів АЕ,
що виникли у процесі гальмування автокрана
при симетричному навантаженні 880 кН на прольот
Тобто приведена на рис.3 часова залежність параметру Kp (котра була єдина зареєстрована в усіх схемах навантаження) дійсно згенерована внаслідок локального процесу структурного переугрупування, а не пояснюється втратою звукового контакту.
Таким чином, акустоемісійні дослідження цілком підтвердили висновок статичних випробувань про відповідність проїзду по мосту вимогам діючого нормативного документа СНіП 2.05.03-84 “Мосты и Трубы”.