Controlul calitatii elementelor de constructii (V). Metode acustice

Metodele acustice pun in evidenta  proprietatile elasto-dinamice, defectele din elemente sau structuri (goluri, fisuri, rosturi de turnare, segregari, adancimea stratului zonelor deteriorate in urma proceselor de inghet-dezghet etc.), rezistentele  mecanice, modificarea structurii in timpul prizei si intaririi sau omogenitatea betonului; unul dintre cele mai vechi procedee nedistructive de control este proba de sunet. Aceasta se bazeaza pe analiza undelor excitate aparute in elementul studiat si pe monitorizarea, fie a semnalului transmis (denumita tehnica prin transmisie) fie a semnalului reflectat sau de difractie provenit de la orice suprafata sau discontinuitate (denumita tehnica cu impuls reflectat) (STAS 6652/1-82).

Acustica (gr. Akoustikos „a auzi“) este stiinta care se ocupa cu studiul producerii, propagarii si receptionarii energiei acustice, incluzand si efectele produse de aceasta energie atat asupra organismului omului, cat si asupra corpurilor. Primele studii si cercetari au fost realizate in secolul al VI-lea i.H. de catre Pitagora, continuand in Evul Mediu cu Galileo Galilei, din nevoia de a gasi o explicatie auzului si vorbirii. Dezvoltarea pe baze stiintifice a acusticii a inceput din secolul XVI-lea, dar progresele evidente au aparut abia la inceputul secolului al XIX-lea datorita lui Daniel Colladen si Francois Strum (1822), continuand cu Paul Langevin (1915) si Serghei Sokolov (1928), cand au fost create posibilitati de producere, cu ajutorul aparatelor, a undelor infrasonore (max. 20 Hz), sonore si ultrasonore (0,5 – 10 MHz), de inregistrare si redare a sunetelor, precum si de masurare si analizare a acestora.

Controlul calitatii elementelor de constructii cu ultrasunete

Controlul calitatii elementelor de constructii cu ultrasunete a cunoscut o dezvoltare spectaculoasa in ultima perioada, inlocuind sau completand, intr-o masura mai mica sau mai mare, alte metode de control datorita sensibilitatii si eficacitatii lor. Impulsurile ultrasonore de inalta frecventa transmise prin materialul de examinat se absorb diferentiat in functie de gradul de neomogenitate fizica si chimica a materialului, fiind apoi inregistrate si interpretate semnalele culese pe partea opusa a probei sau pe aceeasi parte cu cea cercetata (caz in care se analizeaza calitatea semnalului dat de reflec­tarea undelor ultrasonore de fata opusa a produsului sau de diversele discontinuitati). Viteza de propagare a undei ultrasonore prin material depinde de modulul de elasticitate si de densitate, parametrii care sunt la randul lor afectati de prezenta defectelor cand lungimea de unda este mare, comparativ cu dimensiunile caracteristice defectelor. Viteza de propagare reflecta rigiditatea, iar atenuarea intensitatii fasciculului ultrasonor creste odata cu marirea fractiei volumetrice de material complementar care determina impras­tierea undelor.

Defectoscopia cu ultrasunete presupune utilizarea unor vibratii mecanice cu frecvente superioare frecventei sunetelor, cuprinse intre 20 KHz si 100 MHz. O proprietate importanta a lor, utilizata in defectoscopie, este capacitatea de a fi reflectate puternic de suprafetele de separare dintre doua medii cu densitatii diferite. Pentru ca defectele sa fie puse in evidenta este necesar ca dimensiunea lor sa fie mai mare decat lungimea de unda a ultrasunetelor folosite. Calitatea materialului se stabileste folosind scari etalon, ce au indicate numarul maxim de defecte admisibile sau clase de calitate cu marimi si frecvente de defecte admisibile.

Clasificari

Dupa caracterul interactiunii fenomenului fizic sau a substantei cu obiectul de controlat, se pot distinge urmatoarele metode: prin transmisie, prin reflexie, rezonanta, impedanta, oscilatii libere sau emisie acustica.

Dupa parametrul informational primar (de exemplu, caracteristica masurabila) se disting: amplitudinea, faza, timpul de trecere sau viteza de propagare a undelor, frecventa sau spectrul.

Principalele metode de control sunt: metoda de vibratii proprii (rezonanta), metoda prin impact, metode elastice cu impuls ultrasonic, metoda carotajului sonic, metoda undelor de suprafata si metoda emisiei acustice.

Metoda de vibratii proprii

Metoda nedistructiva de vibratii proprii (denumita metoda de rezonanta) se bazeaza pe masurarea frecventei proprii de vibratie a epruvetelor cu ajutorul fenomenului de rezonanta si apoi deducerea modu­lului de elasticitate dinamic E_d (STAS 6652/1-82).

Metodele de rezonanta cu masurarea frecventei proprii se bazeaza pe punerea in vibrare a unei epruvete de forma prismatica si pe identificarea frecventei proprii de vibrare, cu ajutorul fenomenului de rezonanta, realizat prin variatia frecventei excitatiei exterioare pana la coincidenta cu frecventa proprie de oscilatie a epruvetei.

Principiul de functionare a aparatului (fig. 1) consta in: introducerea piesei de examinat intr-un fascicul de ultrasunete produs de un vibrator piezoelectric sau magnetostrictiv; varierea frecventei acestora pana cand apare fenomenul de rezonanta; notarea frecventei; varierea in continuare a frecventei pana la urmatoarea rezonanta. Cunoscand cele doua frecvente succesive, rezulta lungimea parcursa. Daca aceasta lungime corespunde cu grosimea piesei inseamna ca nu exista defecte pe directia in care s-au proiectat ultrasunetele.

Tipurile principale de vibratii sunt: longitudinale, de incovoiere si de torsiune.

Frecventa proprie de vibratie a unui sistem mecanic depinde de proprietatile sale elastice, inertiale si constructive. Relatiile matematice ale acestor interdependente sunt:

unde:

f_l – frecventa proprie a vibratiilor longitudinale;

f_i – frecventa proprie a vibratiilor transversale;

f_t – frecventa proprie a vibratiilor de torsiune;

l – lungimea barei;

A – suprafata sectiunii transversale a barei;

I_p – momentul de inertie al sectiunii transversale al barei;

I_m – momentul de inertie curent al barei;

a – coeficient al conditiilor de rezemare la incovoiere;

b – coeficient al conditiilor de rezemare la torsiune;

E_d – modul de elasticitate dinamic;

u – deplasare axiala;

s – efort axial;

t – timp;

e – deformatie;

c_o – viteza de unda;

t – timpul necesar undei sa strabata lungimea barei.

Stiind ca

si ca

rezulta urmatoarea relatie:

unde

Frecventa proprie a vibratiilor longitudinale va fi:

In ipoteza in care l, r si f sunt cunoscute, modulul de elasticitate E va fi:

In cazul unei grinzi cu laturile a si b, avand masa M, relatia (8) devine:

Metoda prin impact

Metoda prin impact (analiza raspunsului acustic) (Davis si Dun 1974; SteinBach si Vez 1975; Higgs 1979; Stain 1982; Sansalone si Carino 1986; Nazarian si Stokoe 1986; Davis si Hertlein 1991) se bazeaza pe punerea in vibratie a unei epruvete, a unui element sau a unei structuri cu ajutorul unui impact de mica intensitate, si pe masurarea perioadei sau frecventei proprii de oscilatie si eventual a decrementului logaritmic de amortizare a oscilatiilor epruvetei sau elementului, in vede­rea determinarii calitatii betonului din element (STAS 6652/1-82).

Impactul poate fie exercitat longitudinal, transversal centric sau transversal excentric, obtinandu-se frecventa proprie longitudinala de incovoiere sau de torsiune a epruvetei ori elementului sau decrementului corespunzator.

Metode elastice cu impuls ultrasonic

Metodele elastice cu impuls ultrasonic (Whithurst 1967) se bazeaza pe masurarea tipului sau a vitezei de propagare si, eventual, a atenuarii impulsurilor ultraso­nice in beton (ASTM C 597; C 26-1985; STAS 6652/1-82). Undele transmise sunt afectate de discontinuitatile si neomogenitatile materialului, iar defectul fiind inregistrat printr-o anulare sau atenuare a energiei transmise.

• Metoda tipului sau vitezei de propagare consta in producerea unor impulsuri alcatuite din oscilatii neamortizate de frecventa relativ joasa (40 – 150 Hz), care se aplica betonului cu ajutorul unui palpator-emitator simultan cu deschiderea bazei de timp, si al caror timp sau viteza de propagare prin beton este determinata cu ajutorul unui palpator – receptor care aplica semnalul receptionat pentru incheierea bazei de timp.

Viteza de propagare longitudinala (V_l) este:

unde:

L – distanta dintre emitator si receptor, in linie dreapta (mm);

T – timpul de propagare al impulsurilor in beton (ms);

l – lungimea de unda a ultrasunetului folosit;

n – frecventa oscilatiilor utilizate.

Intr-un mediu tridimensional, relatia (10) devine:

unde:

E – modulul de elasticitate dinamic al materialului;

r – densitatea materialului;

m – coeficient Poisson.

unde:

G – modul de elasticitate la lunecare.

• Metoda atenuarii impulsurilor ultrasonice

Aceasta metoda se bazeaza fie pe ridicarea curbei de atenuare a unui impuls ultrasonic reflectat succesiv de fetele opuse ale epruvetei sau elementului de beton, fie pe masurarea amplitudinii semnalului receptionat la primul sau front de unda prin inregistrarea amplificarii necesare pentru a aduce semnalul la o amplitudine standard (fig. 3).

Metoda carotajului sonic

Metoda carotajului sonic (STAS 6652/1-82) se bazeaza pe glisarea in lungul unor canale circulare umplute cu apa a unor palpatori ultrasonici, cu polarizare radiala, rezistenti la imersie, precum si pe masurarea timpului de propagare si eventual a amplitudinii semnalului ultrasonic, dupa propagarea sa prin beton, intre emitator si receptor, in vederea determinarii calitatii betonului.

 Metoda undelor de suprafata

Metoda undelor de suprafata se bazeaza pe masurarea vitezei de faza a undelor de incovoiere excitate in placi la diverse frecvente, in vede­rea trasarii curbei de dispersie cores­punzatoare, curba ce poate fi folosita ulterior la determinarea vitezei undelor de suprafata sau grosimii placii.

Metoda analizei spectrale a undelor de suprafata (SASW Spectral Analysis of Surface Waves) (Jones 1955, 1962, Heisey 1982 si Nazarian 1983) este utilizata mai ales la suprafete cu o singura fata vizibila (pavaje, dale, drumuri etc.) fiind o varianta a metodei impact-ecou (fig 4).

Metoda a fost dezvoltata in scopul determinarii proprietatilor elemen­telor de constructii realizate in straturi.

Principiul de functionare consta in lovirea suprafetei si inregistrarea prin doua receptoare a vitezei undelor de suprafata si a lungimii de unda. Vitezele  mari corespund unui modul de elasticitate mare, respectiv  unei calitati superioare a materialului.

Metoda emisiei acustice

Conform (STAS 6652/1-82), metoda emisiei acustice se bazeaza pe masurarea variatiei numarului impulsurilor acustice emise de betonul unei epruvete, in unitatea de timp, la diferite trepte de solicitare, ca urmare a degradarilor structurale produse de eforturile din materiale.

Controlul prin emisie acustica se bazeaza pe detectarea emisiei de unde produse la variatia rapida a tensiunilor locale din straturile analizate. Controlul tine seama de efectul Kaiser, care consta in faptul ca emisia acustica reincepe dupa o intrerupere, la o incarcare cu o sarcina mai mare decat valoarea maxima din perioada de emisie initiala, sau de efectul Felicity, care consta in faptul ca emisia acustica reincepe la solicitari reprezentand o anumita fractie (raport sau proportie Felicity) din incarcarea maxima precedenta. Amplitudinea redusa a semnalului indica deformarea matricei si prezenta microfisurilor, iar amplitudinea mare indica desprin­derile la interfata, rupere, precum si smulgere.

Bibliografie

1. Carino N.J., Nondestructive Test Methods. Concrete Construction Engineering Handbook. Chapter 19, CRC Press, Boca Raton, Fl, Nawy, Editor 19/1-68 pp, 1997.

2. Ilinoiu G., Evaluarea conformitatii betonului, Ed. Cartea Universitara, Bucuresti, 2006.

3. Jalinoos, F.,Olson, L. D., Aouad, M. F., and Balch, A. H., Acoustic tomography for QNDE of structural concrete, Quantitative Nondestructive Evaluation (QNDE) Proceedings, 14, Iowa State University, 1994.

4. Jalinoos, F., Olson, L.D., Sack, A., Use of a combined acoustic impact echo and crossmedium tomography methods for defect characterization in Concrete civil structures, Structural Faults and Repair Conference, London University, 1995.

5. Nordstrom R., Brunner A.J., Bohse J. “A First Atlas of AE Activity” to be presented at the 45th regular Meeting of the AEWG (Evanston, IL, USA, August 19-21, 2002).

6. REMR Technical note CS-ES-1.10. Nondestructive testing of concrete with ultrasonic Pulse-Echo, 1991.

7. ACI 228.1R, In-Place Methods for Estimate Concrete Strength, American Concrete Institute, Farmington Hills, MI, 1995.

8. ACI228.2R, Nondestructive Test Methods for Evaluation of Concrete in Structures, American Concrete Institute, Farmington Hills, MI, 1998.

9. C 26-85. Instructiuni tehnice pentru incercarea betonului prin metode nedistructive.

10. SR EN 583-1/01. Examinari nedistructive. Examinarea cu ultrasunete. Partea 1. Principii generale.

11. SR EN 583-2/01. Examinari nedistructive. Examinarea cu ultrasunete. Partea 2. Reglajul sensibi­litatii si al bazei de timp.

12.. SR EN 583-3/01. Examinari nedistructive. Examinarea cu ultrasunete. Partea 3. Tehnica prin transmisie.

13. SR EN 583-4/01. Examinari nedistructive. Examinarea cu ultrasunete. Partea 4. Examinarea pentru detectarea discontinuitatilor per­pendiculare pe suprafata.

14. SR EN 583-5/01. Examinari nedistructive. Examinarea cu ultrasunete. Partea 5. Caracterizarea si dimensionarea discontinuitatilor.

15. STAS 6652/82. Incercari nedistructive ale betonului.

16. STAS 9552/74. Defectoscopie ultrasonica. Examinarea imbinarilor sudate prin topire.

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 25 – aprilie 2007

Autor:
dr. ing. Octavian George ILINOIU – Gardiner &Theobald International Project & Cost Management