Разработка методов и программно-аппаратных средств акустического контроля крупногабаритных строительных изделий из бетона тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.11.13, кандидат технических наук Авраменко, Сергей Леонидович

• Авраменко, Сергей Леонидович
• кандидат технических наук
• 2008

Оглавление диссертации кандидат технических наук Авраменко, Сергей Леонидович

ВВЕДЕНИЕ.

1. ПРОБЛЕМЫ И ЗАДАЧИ АКУСТИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ПРОТЯЖЕННЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ БЕТОНА.

1.1. Основные характеристики бетона применительно к задаче акустического неразрушающего контроля СК. Исследование физико-механических свойств бетонов с помощью УЗ методов.

1.2. Проблемы контроля изделий из бетона большой толщины.

1.2.1. Импакт-эхо метод.

1.2.2. Резонансный метод применительно к задачам контроля изделий из бетона

1.2.3. Определение скорости распространения акустической волны.

1.3. Применение импакт-эхо метода при контроле строительных конструкций из бетона.

1.3.1. Измерение прочности бетонных конструкций по скорости акустической волны.

1.3.2. Контроль толщины протяженных изделий из бетонов.

1.3.3. Определение наличия воздушных полостей или дефектов.

1.3.4. Особенности контроля стен и фундаментов.

1.3.5. Определение длины и целостности свай.

1.3.6. Измерение глубины трещин.

1.3.7. Определение качества арматуры и поиск пустот в СК.

1.3.8. Проблемы и текущие исследования по применению импакт-эхо метода

1.4. Выводы.

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ АКУСТИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ В КОМПАКТНЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЯХ ИЗ БЕТОНА. ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОГО АЛГОРИТМА КОНТРОЛЯ КОМПАКТНЫХ ИЗДЕЛИЙ

2.1. Постановка проблемы моделирования акустических полей в компактных строительных конструкциях из бетона.

2.2. Отражение упругой волны на границе раздела двух сред.

2.3. Аналитический расчёт спектра колебаний стержня.

2.4. Моделирование спектра колебаний стержня.

2.5. Моделирование спектра колебаний протяженной плиты.

2.6. Особенности контроля компактных изделий.

2.6.1. Влияние «шума формы» на АЧХ компактных изделий.

2.6.2. Влияние геометрической дисперсии скорости продольной волны при контроле компактных СК.

2.7. Корреляционный метод определения скорости.

2.8. Мультипликативный метод контроля компактных строительных конструкций.

2.8.1. Определение дисперсионных характеристик для дисков и параллелепипедов.

2.8.2. Определение оптимального положения датчиков для симметричных компактных изделий.

2.8.3. Выбор оптимального положения датчиков для несимметричных компактных изделий.

2.8.4. Расчет толщины компактной строительной конструкции с учетом геометрической дисперсии скорости.

2.8.5. Многоканальность и мультипликативная обработка результатов.

2.8.6. Влияние неоднородностей ОК на результаты контроля при мультипликативной обработке результатов.

2.9. Выводы.

3. МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНАЯ КОМПЬЮТЕРНАЯ АППАРАТУРА ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ РЕЗОНАНСНОГО И ИМПАКТ-ЭХО МЕТОДОВ

КОНТРОЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ ИЗ БЕТОНА.

3.1. Аппаратная составляющая акустического комплекса на базе ПК.

3.2. Программная составляющая акустического комплекса на базе ПК.

3.2.1. Режим «импакт-эхо метод».

3.2.2. Режим «резонансный метод».

3.2.3. Режим «обработка результатов».

3.3. Аппаратная составляющая макета портативного акустического комплекса.

3.4. Программная составляющая макета портативного акустического измерительного комплекса.

3.5. Выводы.

4. НАТУРНЫЕ ИСПЫТАНИЯ РАЗРАБОТАННОЙ АППАРАТУРЫ.

4.1. Контроль протяженных строительных конструкций методами собственных частот.

4.1.1. Фундамент строящегося служебного помещения ГАБТ.

4.1.2. Фундамент строящегося здания на Каширском шоссе.

4.1.3. Контроль протяженных изделий резонансно-мультипликативным методом.

4.1.4. Колонна с прямоугольным сечением 100x20 см.

4.1.5. Свая 10x10x40 см.

4.2. Контроль компактных изделий резонансно-мультипликативным методом.

4.2.1. Блок 80x50x30 см.

4.2.2. Блок 50x50x25 см.

4.2.3. Колонна с квадратным сечением 60x60 см.

4.3. Выводы.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методов и программно-аппаратных средств акустического контроля крупногабаритных строительных изделий из бетона»

Безопасность функционирования сооружений из бетона, являющаяся важнейшим экономическим и социальным фактором, в значительной мере определяется техническим состоянием бетонных строительных конструкций (СК) и мерами по контролю их качества, как в процессе сооружения, так и на протяжении всего времени эксплуатации. Одним из способов обеспечения безаварийной эксплуатации является мониторинг качества бетонных СК с применением методов неразрушающего контроля (НК).

Для получения информации о прочности изделий из бетона, о наличии дефектов, о габаритах СК разработаны различные методы и средства НК, в том числе методы и средства акустического (в первую очередь ультразвукового — УЗ) контроля. На основании полученных с помощью этих методов данных делают выводы об общем состоянии сооружения, определяют остаточный ресурс конструкций.

Вследствие физико-механических особенностей бетона, УЗ методы НК (эхо-импульсный, теневой и др.) не позволяют контролировать СК толщиной более 1,5 м. Для контроля таких крупногабаритных изделий применяют акустические методы, основанные на анализе собственных частот (в основном, импакт-эхо метод). Несмотря на то, что эти методы были впервые применены еще в двадцатых годах прошлого столетия, современное техническое оснащение, необходимое для объективного контроля, они получили только 1520 лет назад. На протяжении всего этого времени исследованиям в этой области уделялось пристальное внимание в большинстве развитых стран, в то время как в России, начиная с 90-х гг. и до настоящего времени, методы собственных частот применительно к НК бетона не разрабатывались и за редким исключением не применялись.

В отличие от УЗ методов, позволяющих обнаруживать дефекты и с высокой точностью определять их параметры, методы собственных частот могут дать только общую оценку дефектности изделия, поэтому в дефектоскопии они применяются редко. Вместо этого, эти методы используются для определения либо толщины СК, либо скорости распространения акустической волны в крупногабаритных изделиях, толщина которых может превышать 1,5 м. По значению скорости распространения акустической волны делают выводы о прочности бетона.

Однако на сегодняшний день, зарубежная аппаратура, реализующая методы собственных частот и импакт-эхо метод в частности, позволяет определять прочность бетона и толщину только протяженных конструкций, у которых толщина во много раз меньше, либо больше остальных размеров (фундаменты, стены, перекрытия, сваи). Вследствие влияния эффекта геометрической дисперсии скорости погрешность измерений параметров компактных конструкций, у которых толщина одного порядка с остальными размерами (блоки, балки, колонны, опоры мостов и др.) может достигать 70%. Кроме того, «геометрические эффекты» в компактных изделиях оказывают негативное влияние на достоверность контроля. Эти недостатки приводят к тому, что прочность бетона и толщина крупногабаритных (более 1,5 м), но компактных изделий, при наличии только одностороннего доступа не могут быть проконтролированы ни одним из известных акустических методов.

Все это свидетельствует об актуальности продолжения исследований в области НК изделий из бетонов методами собственных частот и создания новых аппаратных средств контроля.

В связи с этим настоящая работа посвящена разработке методов и программно-аппаратных средств акустического контроля крупногабаритных строительных изделий из бетона.

Цель работы заключается в создании методов и средств акустического НК, применение которых позволит повысить безопасность эксплуатации сооружений из бетона. Для достижения поставленной цели необходимо решение следующих задач.

1. Создание методики анализа акустических полей в компактных изделиях произвольной формы из бетона, позволяющей повысить точность и достоверность измерений за счет учета влияния эффекта геометрической дисперсии скорости, и выявления зон оптимального расположения электроакустических преобразователей (ЭАП) на поверхности объекта контроля.

2. Построение дисперсионных характеристик стандартных компактных изделий (большинство из которых имеет форму параллелепипеда или диска), позволяющих учитывать влияние эффекта геометрической дисперсии скорости и повысить точность определения скорости распространения акустической волны и толщины методами собственных частот.

3. Выявление оптимальных зон размещения ЭАП на поверхности изделий в форме диска и параллелепипеда с целью повышения достоверности результатов измерений.

4. Создание новых методов, позволяющих определять скорость распространения акустической волны и толщину как протяженных СК с неоднородной внутренней структурой, так и компактных крупногабаритных СК, в том числе нестандартной формы.

5. Разработка многофункциональной аппаратуры акустического НК, которая обеспечит реализацию разнообразных алгоритмов обработки данных и позволит контролировать как протяженные СК с неоднородной внутренней структурой, так и компактные крупногабаритные СК.

Заключение диссертации по теме «Приборы и методы контроля природной среды, веществ, материалов и изделий», Авраменко, Сергей Леонидович

4.3.Выводы

1. С помощью разработанной аппаратуры при использовании резонансно-мультипликативного метода проконтролированы скорость распространения акустической волны и толщина протяженных СК из бетона и кирпича, в том числе с неоднородной внутренней структурой (фундамент строящегося служебного помещения ГАБТ, фундамент строящегося здания на Каширском шоссе, кирпичная стена полуразрушенной церкви и др.).

2. С помощью разработанной аппаратуры при использовании корреляционного и резонансно-мультипликативного метода проконтролированы компактные изделия из бетона (бетонные блоки различных размеров, колонны строящегося помещения ГАБТ и др.).

В таблице 4.5 приведено сравнение импакт-эхо и резонансно-мультипликативного методов с точки зрения пригодности для контроля изделий из бетона и кирпичной кладки различных форм.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Приведен литературный обзор работ по неразрушающему контролю крупногабаритных строительных конструкций из бетона акустическими методами. Показано, что методы собственных частот (в основном импакт-эхо метод) являются наиболее распространенными методами определения толщины и скорости распространения акустической волны в изделиях толщиной более 1,5 м.

2. Показано, что область применения методов собственных частот при определении скорости распространения акустической волны и толщины ограничена только протяженными изделиями, толщина которых либо в 5 раз больше, либо в 5 раз меньше любого другого размера. Контроль скорости распространения акустической волны и толщины компактных изделий, размеры которых не удовлетворяют этому условию, дает результаты с неприемлемо большой погрешностью.

3. Показано, что методы собственных частот для контроля строительных изделий из бетона в России не развиваются, а количество публикаций по результатам отечественных исследований незначительно.

4. Проведено численное моделирование спектров свободных и вынужденных колебаний моделей компактных изделий методом конечных элементов. Результаты моделирования подтверждены экспериментом. Аппарат моделирования используется в диссертации как основной инструмент научных исследований.

5. Изучены причины, препятствующие контролю толщины и скорости распространения акустической волны в компактных изделиях методами собственных частот: негативное влияние эффекта геометрической дисперсии скорости на точность измерений, отсутствие рекомендаций по выбору места установки приемного ЭАП и импактора, «геометрические эффекты», снижающие достоверность результатов измерения.

6. Предложен и реализован корреляционный метод определения скорости распространения акустической волны в компактных изделиях произвольной формы, все размеры которых известны, заключающийся в сравнении экспериментальной характеристики с расчетными характеристиками, полученными при различных значениях скорости. Метод позволяет проводить мониторинг изменения прочности бетона в процессе старения.

7. С помощью моделирования построены дисперсионные характеристики компактных изделий в форме диска и параллелепипеда, позволяющие учитывать влияние эффекта геометрической дисперсии скорости и повысить точность определения скорости распространения акустической волны и толщины методами собственных частот.

8. Сформулированы рекомендации по размещению импактора и приемного ЭАП на поверхности изделий в форме диска и параллелепипеда: импактор и ЭАП должны находиться на одной из осей симметрии изделия, параллельной его сторонам. Для параллелепипедов, у которых длина не равна ширине, выбор оси определяет преобладание на спектральной характеристике одного из двух резонансных пиков первой моды продольной волны.

9. Предложен и реализован многоканальный резонансно-мультипликативный метод определения скорости распространения акустической волны и толщины как протяженных строительных конструкций с неоднородной внутренней структурой, так и компактных крупногабаритных изделий, заключающийся в мультипликативной обработке нескольких спектральных характеристик, измеренных в различных точках поверхности (положительное решение от 21.05.2007 по заявке №2007118592/28 на патент на изобретение).

10. Разработан многофункциональный акустический измерительный комплекс (МАИК) на базе персонального компьютера, реализующий корреляционный импакт-эхо и резонансно-мультипликативный методы.

Максимальная толщина объекта контроля определяется амплитудно-частотной характеристикой ЭАП. Погрешность измерений лежит в диапазоне 2.5%.

11. Разработан макет портативного акустического измерительного комплекса (ПАИК) на основе сигнального процессора, реализующий многоканальный резонансно-мультипликативный метод. Погрешность измерений лежит в диапазоне 2. .5%.

12. Изготовлен комплект пьезокерамических ЭАП, позволяющий контролировать бетонные конструкции толщиной до 4 м.

13. Осуществлён контроль скорости распространения акустической волны и толщины как протяженных строительных конструкций с неоднородной внутренней структурой, так и компактных изделий из бетона и кирпичной кладки корреляционным и резонансно-мультипликативным методами. Измерения проводились: в лабораторных условиях, на самостоятельно изготовленных образцах и образцах предоставленных ООО "НСУЦ" ЦМиР"; на реальных строительных объектах Москвы (строящееся служебное помещение ГАБТ, строящийся жилой дом на Каширском шоссе и др.); на культурно-историческом объекте Московской области (полуразрушенная церковь в г. Дрезна) и др.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Авраменко, Сергей Леонидович, 2008 год

1. Неразрушающий контроль. Россия. 1990 — 2000 г.г. Справочник. Под ред. В.В.Клюева.-М.: Машиностроение, 2001, -616 с.

2. ГОСТ23829-85. Контроль неразрушающий акустический. Термины и определения.

3. Неразрушающий контроль. В 5 кн. Кн.2. Акустические методы контроля: Практ. пособие/И.Н.Ермолов, Н.П.Алешин, А.И.Потапов; Под ред. В.В.Сухорукова. М. :Выш. шк., 1991.-283 с.

4. Акустико-эмиссионная диагностика конструкций/А.Н.Серьёзнов, Л.Н.Степанова, В.В.Муравьёв и др./ Под ред. Л.Н.Степановой.- М.: Радио и связь,2000.-280 с.

5. Bergmeister Konrad, (2002) "Monitoring and Safety Evaluation of Existing Concrete Structures" Fib Task Group 5.1, State-of-the-Art Report, Final draft, June 2002.

6. Коробко В.И., Коробко A.B. Контроль качества строительных конструкций: виброакустические технологии. -М.: изд. Ассоциации строительных вузов, 2003. 288 с.

7. Хаютин Ю.Г. Монолитный бетон: технология производства работ. — 2-е изд. перераб. и доп. М.: Стройиздат, 1991. - 576 с.

8. Неразрушающий контроль: Справочник: В 7 т. Под общей редакцией В.В.Клюева. Т.З: Ультразвуковой контроль. И.Н.Ермолов, Ю. В. Ланге. М.: Машиностроение. 2004. 864 С.

9. Качанов В.К., Соколов И.В. Проблемы ультразвукового контроля протяженных сложноструктурных изделий с большим затуханием сигналов. // Дефектоскопия.-2007.- № 8.- С. 82-93

10. Kozlov V. N., Samokrutov A. A., Shevaldykin V. G. Thickness Measurements and Flaw Detection in Concrete Using Ultrasonic Echo Method. -Nondestructive Testing and Evaluation. 1997, Vol. 13, pp. 73 84.

11. Shevaldykin V.G., Kozlov V.N., Samokrutov A. A., Inspection of Concrete by Ultrasonic Pulse-Echo Tomograph with Dry Contact, 7th European conference on Non-Destructive Testing, Copenhagen, 26 29 May, 1998.

12. ШевалдыкинВ.Г. Визуализация внутренних дефектов в железобетонных конструкциях при одностороннем доступе и оценка свойств среды за внутренней границей бетона // Контроль. Диагностика. 2007. № 3.

13. Методические рекомендации по контролю прочности бетона монолитных конструкций ультразвуковым методом способом поверхностного прозвучивания (МДС 2001) -М.: ГУЛ «НИИЖБ», 2001-9 с.

14. ГОСТ 17624-87. Бетоны. Ультразвуковой метод определения прочности.

15. Поль Э. Неразрушающие методы испытаний бетона. М.: Стройиздат, 1967.-178 с.

16. Carino N.J. "The impact-echo method: an overview", Proceedings of the 2001 Structures Congress & Exposition, May 21-23, 2001, Washington, D.C., American Society of Civil Engineers, Reston, Virginia, Peter C. Chang, Editor, 2001. 18 p.

17. И. В. Зашук. Электроника и акустические методы испытания строительных материалов. — М.: Высшая школа, 1968, 248 с.

18. Sansalone М., Carino N.J., 1986, "Impact-Echo: A Method for Flaw Detection in Concrete Using Transient Stress Waves," NBSIR 86-3452, National Bureau of Standards, Sept., 222 p.

19. Carino N.J., Sansalone M., Hsu N.N., 1986, "Flaw Detection in Concrete by Frequency Spectrum Analysis of Impact-Echo Waveforms", in International

20. Advances in Nondestructive Testing, Ed. W.J. McGonnagle, Gordon & Breach Science Publishers, New York, pp. 117-146.

21. Sansalone M., Streett W. В., 1997," Impact-Echo: Nondestructive Testing of Concrete and Masonry", Bullbrier Press, Jersey Shore, PA.

22. ASTM С1383. Standard Test Method for Measuring the P-Wave Speed and the Thickness of Concrete Plates Using the Impact-Echo Method.

23. Скучик E. Основы акустики (пер. с англ., в 2-х томах). М.: Мир, 1976, т. 1, 617 с.

24. Kruger М. Scanning Impact-echo techniques for crack depth determination. Otto-Graf-Journal,Vol. 16, 2005.

25. Stultz G.R., Bono R.W., Schiefer M. I. Fundamentals of Resonant Acoustic Method NDT // Advances in powder metallurgy and particulate materials. 2005. №3. p. 1-11.

26. Schlengermann U., Hansen W., Resonance inspection the answer to new industrial demands with regard to quality assurance // The e-Journal of Nondestructive Testing & Ultrasonics. 1997, Vol 1.2, № 7. http://www.ndt.net

27. Hands G. Resonant Inspection a "new" NDT technique // The e-Journal of Nondestructive Testing & Ultrasonics. 1997, Vol 1.2, № 7. http://www.ndt.net

28. Ваньков Ю.В., Казаков Р.Б., Яковлева Э.Р. Собственные частоты изделия как информативный признак наличия дефектов // Электронный журнал «Техническая акустика», http://eita.org. 2003. №5.

29. Березин E.K., Родюшкин B.M. Методы ультразвукового контроля качества материалов со сложной структурой // Упрочняющие технологии и покрытия. 2006. №5.

30. Теумин И.И. Ультразвуковые колебательные системы. М.: Машгиз, 1957. 330 с.

31. Куликов B.A., Санников Д.В., Вавилов В.П. Применение акустического метода свободных колебаний для диагностики железобетонных опор контактной сети // Дефектоскопия. 1998. №7. С. 40-49.

32. Krause М., Gardei A. On-site investigation techniques for the structural evaluation of historic masonry buildings. Bundesanstalt fur Materialforschung und -prufung. 2004. 16 p.

33. Gassman S. L., Finno R.J., Cutoff frequencies for impulse response tests of existing foundations // Journal of performance of constructed facilities. 2000. №2. p. 11-21.

34. Kruger M., Grosse C.U. Crack Depth Determination using Advanced Impact-Echo Techniques. European Conference on Nondestructive Testing, Berlin (DE), 25-29 September 2006.

35. Cheng C., Sansalone M. Effects on Impact-Echo Signals Caused by Steel Reinforcing Bars and Voids Around Bars. ACI Materials Journal, Vol. 90, No. 5, Sept-Oct., pp. 421-434.

36. Korenska M., Pazdera L., Palkova M. Diagnostic of rebar corrosion within reinforced concrete specimens by resonant inspection. European Conference on Nondestructive Testing, Barcelona (Spain), June 17-21, 2002.

37. Na W.B., Kundu Т., Ehsani M.R. Lamb waves for detecting delamination between steel bars and concrete // Computer-aided civil and infrastructure engineering. 2003. №1, p. 58-63.

38. Iyer S., Schokker A. J., Sinha S. K. Ultrasonic imaging: A novel way to investigate corrosion status in post-tensioned concrete members // Journal of the Indian Institute of Science. 2002. №5-6. p. 197-217.

39. Jung Y.C., Na W.B., Kundu Т., Ehsani M.R. Damage detection in concrete using Lamb waves. Nondestructive Evaluation of Highways, Utilities, and Pipelines IV, 9 June 2000, SPIE Vol. 3995, p. 448-458.

40. Skala J. Reliability of impact-echo method as a tool to detect the reinforced concrete element corrosion. 37-ая международная конференция Дефектоскопия 2007. Прага. 7-9.11.2007.

41. Skala J., Chobola Z. Frequency inspection as a tool to assess the armature corrosion. Workshop NDT 2005 by Brno University of Technology 31. 11. 2005, p. 159-161.

42. Raparelli R.Q., Olson L.D. Impact echo scanning for nde of voids in post-tensioned ducts in a box girder bridge. Transportation Research Board's Annual report, 2003.

43. Schubert F., Lausch R., Wiggenhauser H. Geometrical Effects on Impact-Echo Testing of Finite Concrete Specimens. Non-Destructive Testing in Civil Engineering 2003. September 16-19, 2003 in Berlin, Germany

44. Wonsiri Punurai. Cement-based Materials' Characterization using Ultrasonic Attenuation. A dissertation presented to the Academic Faculty in partial fulfillment of the requirements for the Degree Doctor of Philosophy in the

45. School of Civil and Environmental Engineering. Georgia Institute of Technology. May 2006.

46. Вибрации в технике. Справочник. Т. 1. Колебания линейных систем / Под ред. В.В. Болотина. М.: Машиностроение, 1999. 504 с.

47. Коробов А. И. Резонансная акустическая спектроскопия твердых тел. Методическая разработка спецпрактикума кафедры акустики. — М.: Физический факультет МГУ, 2003. 23 с.

48. Чигарев А.В., Кравчук А.С., Смалюк А.Ф. ANSYS для инженеров: Справ, пособие. М.: Машиностроение-1, 2004. 512 с.

49. Каплун А.Б., Морозов Е.М., Олферьева М.А. ANSYS в руках инженера: Практическое руководство. М.: Едиториал УРСС, 2003. - 272 с.

50. Басов К.А. ANSYS в примерах и задачах/ Под общ. Ред. Д.Г.Красковского.- М.: КомпьтерПресс, 2002.-224с.:ил.

51. Гликман А.Г. Спектральная сейсморазведка истоки и следствия. Электронная книга, http://www.newgeophys.spb.ru/ru/book2/index.shtml.

52. Качанов В.К., Соколов И.В. Проблемы ультразвукового контроля протяженных сложноструктурных изделий с большим затуханием сигналов. // Дефектоскопия.-2007.- № 8.- С. 82-93

53. Демидович Б.П. Марон И.А. Основы вычислительной математики. М.: Наука, 1970 г., 664 с. с илл.

54. Качанов В.К., Соколов И.В., Авраменко С.Л. Акустический резонансно-мультипликативный метод толщинометрии протяженных строительных конструкций из бетона // Измерительная техника. №5. 2008 г. С. 15 18.

55. Положительное решение №2007118592/28 от 21.05.2007 по заявке на патент Авраменко C.JI., Соколов И.В., Качанов В.К. Резонансный способ ультразвуковой толщинометрии.

56. СТРОИТЕЛЬСТВЕ» на 2001-2005г.г. 7-10 декабря 2004г. М.,МГСУ,2004 г. С.110-113.

57. Авраменко С.Л. Акустический аппаратно-программный комплекс измерения толщины протяженных изделий из бетона // Вестник МЭИ. №1. 2008 г. С. 124-127.