Vasbeton szerkezetek kifáradási vizsgálatai

Átírás

1 AZ ÜZEMFENNTARTÁS ÁLTALÁNOS KÉRDÉSEI Vasbeton szerkezetek kifáradási vizsgálatai Tárgyszavak: vasbeton szerkezetek; fárasztóvizsgálatok; akusztikus emissziós vizsgálat; károsodási indikátorok. Vasbeton lemezek fáradásának vizsgálata akusztikus emisszió alapján Hidak és épületek vasbeton szerkezeteinek repedései sok problémát okoztak a közelmúltban. Javításra vagy új szerkezet létesítésére vonatkozó döntésekhez fontos, hogy megbízható eljárással lehessen vizsgálni és értékelni a szerkezetek állapotát. Akusztikus emisszión olyan rugalmas hullámokat értenek, amelyek az anyagban végbemenő alakváltozás, repedések megjelenése során keletkeznek. Ezek alkalmasak roncsolásmentes vizsgálatok végzésére, mivel jól mutatják repedések keletkezését és terjedését a szerkezeti anyagokban. Laboratóriumi vizsgálatok Laboratóriumi vizsgálatokat végeztek kísérleti vasbeton elemeken és tényleges vizsgálatokat hídszerkezeteken közlekedési terhelés alatt. Laboratóriumi vizsgálatokhoz az 1. ábra szerinti vasbeton elemeket készítették el. A beton nyomószilárdsága 39,3 MPa, statikus, ill. dinamikus rugalmassági tényezője 27,5, ill. 34,3 GPa volt. Az elemeket hosszabb oldaluk mentén gerendák támasztották alá. Az elemek négy sarkára akusztikus érzékelőket erősítettek, amelyekkel észlelték az emissziók számát, energiáját és amplitúdóját. A lemezeket szinuszhullám szerint váltakozó terhelésnek vetették alá. A terhelési ciklusok és a repedéssűrűség közötti összefüggést a 2. ábra mutatja. A repedéssűrűségen a lemez felületének 1 m 2 -én megfigyelhető repedések összes hosszát értik. A repedések kifejlődésének négy szakaszát lehetett megkülönböztetni. Az első szakasz N = terhelési ciklusnak felel meg, ebben a szakaszban keletkeznek és gyorsan terjednek a repedések. A második szakaszban (N = ciklus) nem növekednek lényegesen a repedések, ez a stabil szakasz. A harmadik szakaszban (N = ) a repedések közel lineárisan tovább növekednek, majd a negyedik szakaszban a repedések terjedése felgyorsul és az elem tönkremeneteléhez vezet. Az akusztikus emissziók számának és amplitúdójának a terhelés nagyságától és a terhelési ciklusok számától való függését a 3. ábra mutatja. Nagy

2 akusztikai aktivitás rögtön a terhelési ciklusok elején figyelhető meg, ami korai repedések megjelenését jelzi, de ez gyorsan lecsökken. A második szakaszban lassú növekedés látható, majd a harmadik szakaszban az akusztikai aktivitás stabilizálódik. A negyedik szakaszban az akusztikus emissziók felerősödnek, ami a szerkezet tönkremenetelére utal akusztikus érzékelő ábra Vasbeton kísérleti elem laboratóriumi vizsgálathoz 10 I II III IV repedéssűrűség, m/m terhelési ciklusok, N 2. ábra A terhelési ciklusok száma és a repedéssűrűség összefüggése

3 3. ábra Az akusztikus emissziók számának, amplitúdójának alakulása a terhelési ciklusok számától és a maximális terheléstől függően A vasbeton lemez felületén jelentkező repedések és az emisszió forrásának helyei között összhang van, tehát az akusztikus emisszió forráshelyének elemzésével a szerkezet repedésgócai jól körülhatárolhatók. Vizsgálatok tényleges vasbeton szerkezeteken A tényleges vasbeton szerkezeteken, közlekedési terhelés alatt szintén megfigyelték a repedések keletkezése és az akusztikus emisszió közötti öszszefüggést. Megállapították, hogy a jelenség a laboratóriumi vizsgálatokhoz hasonló, ezért nem szükséges folyamatos megfigyelés, időszakos akusztikus vizsgálat is elégséges a szerkezet állapotának megítéléséhez és a tönkremenetel előrejelzéséhez. Következtetések Vasbeton szerkezetek kifáradás folytán való tönkremenetele az akusztikus emissziók megfigyelésével előre jelezhető. Az akusztikus emisszió forrásának elemzésével a repedések góca jó közelítéssel körülhatárolható.

4 Tényleges vasbeton szerkezetek állapota az akusztikus emisszió időszakos vizsgálatával megbízhatóan értékelhető. Vasbeton tartók kifáradási vizsgálata a károsodási jelek értékelésére Az elvégzett kísérletek célja, hogy a vasbeton konstrukciók ismétlődő és váltakozó igénybevétele esetére a kísérletekkel prognosztizált élettartamot vizsgálni lehessen. Feltétele a károsodás ismerete, ami fárasztóhatás következtében létrejövő káros elváltozásokat jelent, és amelyeket a kísérleti mérési értékek elemzésével határoznak meg. A mérési értékek és a károsodás között a kapcsolatot a károsodási indikátor (károsodási jel) mutatja. Ez a kísérleti munka különböző károsodási jelek vizsgálatát tartalmazza, azért, hogy megállapítsa dinamikusan terhelt vasbeton tartók alkalmasságát. Épületszerkezetek terhelési vizsgálatánál az aktuális teherbírást kell megállapítani. Gyakran kérdés lehet még a maradék élettartam, ill. a maradék használhatóság megállapítása is. Változó terhelésű konstrukciók élettartamának hagyományos számítását a Wöhler-görbe szerint végzik, amelynek során vagy a névleges feszültség elvét, vagy a helyi feszültség elvét alkalmazzák. A számításhoz adott a terhelés és adott a terhelhetőség, amelyek a károsodást és az élettartamot számíthatóvá teszik. A Wöhler-elv használata gerendás tartószerkezetek esetében nehézséget jelent, mivel sem a terhelés, sem a terhelhetőség (Wöhler-görbe) nem ismert. A megbízható élettartambecslést arra alapozzák, hogy kísérleti úton meghatározzák a károsodás jellegzetességét. A kísérleti károsodást (S E ) az épületszerkezet változásának mérésével állapítják meg. A kísérletek az elvégzett vizsgálatok elvét is szemléltetik. Vizsgálati elv Makroszkopikus és mikroszkopikus változásokat jelentenek a mérésekkel megállapítható repedések, ezek előrehaladása észlelhető. Meghatározható a dinamikus károsodás S, valamint a statikus károsodás s értéke a Palmgreen Miner-féle károsodáshalmozódási hipotézist felhasználva: ahol n az igénybevételi szám és N a törési igénybevételi szám. n S =, N s = F F G, ahol F a fellépő terhelés, F G a törést okozó terhelés.

5 A dinamikus károsodás a Wöhler-elv szerint alakul, a statikus károsodás s értékét az épületszerkezet makroszkopikus viselkedése jellemzi. Az S dinamikus károsodást, ha lehet az s értéktől el kell választani. A károsodási indikátorok két csoportba oszthatók: a) Az alakváltozási viselkedésből levezetett károsodási indikátorok: a hiszterézis H = F(z) dz, átlagos merevség, E, Eo + Eu a merevségváltozás, E =. 2E m A károsodási jeleket a dinamikus paraméterekből (sajátfrekvencia, csillapítás) vezetik le. b) Károsodási indikátorok ultrahangsebességből levezetve tehermentesített állapotban (ultrahangos mérések alapján). sebesség a főfeszültség irányában, v L, sebesség a főfeszültség irányára merőlegesen, v Q, v L sebesség viszonyszám (anizotrópia), A =. v A kísérlet kivitele Vasbeton tartók három és négypontos hajlítóvizsgálatát végezték el. A 4. ábrán láthatók egy hárompontos hajlítási (kéttámaszú tartó) vizsgálat adatai. Q 4. ábra Kéttámaszú tartó vizsgálati adatai és a vizsgálat lefolytatásának vázlata

6 A statikus és dinamikus károsodástól függő károsodási jelek megállapításához kísérletsorozat szükséges. A statikus vizsgálat esetén a terhelést lépcsőzetesen növelték, dinamikus terhelés esetében az ismételt igénybevétel során kapott károsodásokat rögzítették, és meghatározták az F M (z) munkagörbét, valamint az alternáló igénybevétel lefutását, a károsodási paraméterek változását. Példaként két, konstrukciójában azonos, hajlított tartó vizsgálati eredményeit hasonlították össze ezeknél mind a statikus, mind a dinamikus terhelés hatására a tönkremenetel a beton nyomott zónájában következett be. Az 5. ábrán láthatók a károsodási jelek a kezdeti értékekre vonatkoztatva. A vonatkoztatási értékek a sérülésmentes tartó (s = o, S = o) kezdeti értékei. µ = 0,04 1,2 1,1 µ = 0,12 νq 0,8 A 0,6 µ = 0,49 0,9 µ = 0,05 s, S s, S E 1,2 0,8 0,6 µ = 0,52 µ = 6 H 2,5 µ = 0,60 2,0 1,5 µ = 0,54 0,5 s, S s, S 5. ábra A statikus ( ) és a dinamikus ( ) károsodás a károsodási (indikátorok) jelek függvényében

7 A H, E és E károsodási jelek az ábrákon a törőerő 35%-a által előidézett terhelésnek felelnek meg. A jobb összehasonlítás céljából a kezdeti értékek a sérült tartóra vonatkoznak (s = 35%, S = 35%). Az 5. ábrán néhány károsodási jel (α) változása látható. Az érzékenységet a µ paraméter fejezi ki: µ = α1 α α 0 0, ahol α 0 a károsodási jel kezdőértéke, és α 1 végső érték (tönkremenetel). Végkövetkeztetések Két alapvető megállapítás tehető: 1. Az ultrahangos vizsgálattal felvett károsodási jelek túlnyomórészt a dinamikus terhelést jelzik, ezek a beton nyomott zónájában bekövetkező mikrorepedésekhez vezetnek. 2. A károsodási jelek munkagörbéi túlnyomórészt a statikus terhelésre jellemzők, amelyek a beton húzott zónájában makrorepedésekhez vezetnek. Vasbeton tartókon lefolytatott kísérletsorozatok azt mutatják, hogy a statikus és dinamikus károsodásokat egyedül a munkadiagramm károsodási jeleinek segítségével megbízhatóan nem lehet szétválasztani. A további vizsgálatok célja a károsodás mértékének megítélése a beton nyomott zónájában. Ehhez a károsodási indikátorokat kísérleti úton kell meghatározni, és vagy egy elméleti élettartam-koncepcióba kell beépíteni, vagy pedig kismértékben előterhelt próbatesteken laboratóriumban az α(s) összefüggést kell meghatározni, és ezeket összehasonlítani. Az így megállapított károsodási fok lehetővé teszi a maradék élettartam becslését. (Dr. Zsáry Árpád) Yuyama, S.; li, Z.-W. stb.: Evaluation of fatigue damage in reinforced concrete slab by acoustic emission. = NDT&E International, 34. k. 6. sz szept. p Ermüdungsversuche an Stahlbetonbalken zur Bewertung von Schädigungsindikatoren. = VDI-Berichte, sz. p