Diagnosticarea constructiilor (I) – Metode moderne

Metode de detectare a avariilor bazate pe analiza dinamica

Determinarea amplasarii si dimen­siunilor avariilor structurilor prin masurari de vibratii a cunoscut o mare dezvoltare. Cercetarile au fost initiate datorita unei necesitati pentru o metoda nedistructiva mai precisa.

Tehnicile de inspectare bazate pe masurari de vibratii sunt necesare la structuri mari deoarece nu necesita accesul specialistului la constructie, asa cum cer tehnicile bazate pe observatii vizuale, masurari directe, masurari cu ultrasunete, masurari prin emisie acustica etc.

Una din consecintele unei avarii structurale (fisura) este o variatie a rigiditatii locale, avand ca urmare scaderea frecventei naturale a constructiei. Metoda cea mai aplicata este cea bazata numai pe variatia frecventei naturale.

Comparand variatiile, determinate experimental, a modurilor de vibratie, cu modelele de vibratie prezise teoretic, se poate presupune amplasarea sau dimensiunea avariei. Aceasta metoda necesita cunoas­terea teoretica a modurilor de vibratie a structurii la diferitele deteriorari, variabile ca amplasare si dimensiune. Rezultatul depinde de gradul in care modelul matematic descrie comportarea dinamica a structurii avariate si neavariate.

Determinarea avariilor prin masu­rarea schimbarilor in comportarea dinamica pune problema inversa, respectiv, cum pot fi obtinute informatii asupra amplasarii si dimensiunilor deteriorarilor, prin cateva masurari dinamice.

Exista trei metode principale de solutionare:

• Metoda bazata pe raportul dintre variatiile mici ale frecventelor naturale masurate si variatiile determinate teoretic. Este utila la determinarea amplasarii deteriorarilor, dar nu da precizari asupra marimii lor;

• Metoda elementelor finite, care porneste de la frecventele proprii determinate experimental. Matricea rigiditatii este data ca o functie a dimensiunii si amplasarii defectului. Scaderea cea mai accentuata a rigiditatii, comparata cu rigiditatea structurii intacte, da cea mai probabila amplasare a defectului;

• Metoda retelelor „neuronale“ – artificiale, in care parametrii unui model structural aprioric (masa, rigiditate, amortizare) sunt ajustati pentru a minimiza diferenta dintre valorile date de predictia analitica si valorile masu­rate experimental. Metoda retetelor neuronale artificiale cea mai utilizata pentru determinarea avariilor este MLP (multilayered perception). Este un sistem de modelare matematica in trepte, pentru simularea comportarii reale, din punct de vedere dinamic a structurii, inclusiv pre­zenta avariilor, ca marime si amplasare, prin confruntarea treptata cu compor­tarea constatata experimental.

Metoda este complexa, dar stabileste o tehnica de determinare on line a defectelor si constituie o preocu­pare de viitor a cercetarii in constructii.

Metode nedistructive

Utilizarea metodelor nedistructive face posibila atat detectarea si localizarea defectelor, cat si eva­luarea starii materialelor de constructii.

Problemele care apar la diagnosticarea constructiilor au facut necesara dezvoltarea unor metode eficiente, usor de aplicat si care sa fie capabile sa ofere date cat mai complete asupra modificarilor aparute in structura materialelor, fara a influenta starea elementelor de constructie sau a materialelor.

Tehnicile de investigare nedistructive au ca scop evaluarea caracteristicilor materialelor, astfel incat sa se poata detecta tipurile de deteriorari structurale si amplasarea lor.

În afara metodelor nedistructive cunoscute (in special ultrasonice), se lucreaza la aplicarea unor metode nedistructive noi, bazate pe tehnici moderne cu dezvoltare mare in alte domenii, dar care au gasit aplicatii interesante si in domeniul masurarilor in constructii. Este vorba de metode bazate pe propagarea semnalelor in materialele de constructii.

Metoda ultrasonica de impuls

Este cea mai utilizata, beneficiind de dezvoltarea si perfectionarea aparaturii de masura si de un volum mare de date experimentale, ceea ce permite o buna cunoastere a modului de aplicare, a avantajelor si limitelor ei.

Determinarea zonelor degradate se bazeaza pe modul de propagare diferit al ultrasunetelor in mediu solid si in aer. Se masoara timpul de propagare intre traductorul emitator si cel receptor, prin transmisie directa sau pe diagonala, prin comparatie intre zonele presupuse fisurate si zonele nefisurate. Timpul de propagare creste in zonele degradate, datorita modului de propagare din cauza ultrasunetelor, care ocolesc fisurile si microfisurile.

Avantajele metodei sunt:

• permite stabilirea existentei zonelor cu degradari (respectiv fisuri) si localizarea lor;

• metoda se aplica pe suprafata constructiei, pe elemente sau structuri de orice forma sau dimensiune, inclusiv pe cele cu o singura fata accesibila;

• nu necesita pregatiri complicate;

• masurarile se fac in timp scurt;

• aparatura de masura este relativ simpla si are un cost mediu.

Dezavantajele metodei sunt legate de complexitatea prelucrarii datelor, care trebuie sa tina seama de un numar mare de factori, ce influenteaza rezultatele.

Utilizarea metodelor cu ultrasunete la zidarie – Importanta care se acorda utilizarii metodelor nedistructive cu ultrasunete la constructiile de zidarie se datoreaza faptului ca un numar foarte mare de monumente istorice de mare valoare sunt construite in acest mod. Necesitatea de a le reabilita impune expertizarea lor prin metode cat mai fine, din cate­goria metodelor nedistructive.

Metodele de investigare cu ultrasunete sunt cele mai indicate in aceaste cazuri. Totusi, aplicarea lor prezinta dificultati, din cauza ca atat caramida, cat si mortarul de legatura, mai ales dupa punerea lor in opera, dau un material eterogen si cu neomogenitate foarte mare. Punerea in evidenta a fisurarii, in acest caz, este foarte complicata.

Numai zidaria cu o grosime pana la 1 m poate fi inspectata cu aceasta metoda, limitandu-se astfel investigatiile structurale la elemente subtiri sau monolitice. În toate celelalte cazuri se aplica metoda seismica, deoarece impulsurile se propaga la distanta mai mare, semnalul avand intensitate mai mare si frecventa mai mica, deci absorbtia este mai redusa.

Metoda seismica: impact – ecou

Undele mecanice, cu frecventa intre 300 Hz si 3 KHz, sunt generate pe suprafata elementului structural, de obicei cu un „ciocan“. Undele se propaga prin element si sunt receptionate de unul sau mai multi receptori.

Timpul de propagare a undei longitudinale, cea mai rapida dintre ele, este masurat intre transmitator si receptor. Viteza undei, ca­l­culata astfel, depinde de proprietatile materialului dar este influentata si de goluri, fisuri sau rosturi neum­plute. Astfel de anomalii produc deviatii in propagarea undei, deci reduc viteza.

Metoda seismica permite dife­rentierea intre suprafetele diferitelor materiale sau structuri (de exemplu, zidarie in straturi, deschideri umplute, rosturi). Deoarece rezultatele depind de proprietatile mecanice, metoda este foarte utila. Pot fi detectate, de asemenea, si golurile mari.

Metoda seismica a fost folosita si pentru verificarea eficientei injectiilor destinate maririi rezistentei zidariei.

În tehnica „impact-ecou“ se studiaza undele reflectate de zonele de „legatura“ exterioare si de discontinuitatile interioare, cum ar fi fisurile sau golurile.

Un traductor, montat pe aceeasi suprafata cu cel de impact, recep­tioneaza undele intr-un anumit interval de timp si semnalul este supus analizei Fourrier la un analizor de spectru, emitatorul si receptorul fiind conectati la un calculator. Tehnica este folosita pentru localizarea defectelor interne, pentru masurarea grosimii elementelor din beton, acolo unde numai o fata este accesibila si pentru a determina rezistenta.

Relatia dintre viteza de propagare si rezistenta la compresiune este influentata de multi factori, inclusiv umiditatea materialului si cea a elementului de legatura. Pentru fiecare material testat trebuie sa se stabileasca o curba de etalonare.

Metoda a fost folosita la expertizarea coloanelor, peretilor etc. cu grosimi mai mici de 600 mm. Cele mai bune rezultate au fost obtinute la detectarea fisurilor in materialele omogene, in care caz s-au putut detecta fisuri paralele cu suprafata.

• Analiza spectrala a undelor de suprafata (SASW), utilizata la suprafete cu o singura fata accesibila (pavaje, dale, drumuri), este o varianta a metodei seismice.

Metoda a fost dezvoltata pentru a determina proprietatile elementelor de constructii in straturi. În aceasta tehnica, suprafata materialului testat este lovita iar doua receptoare, montate pe suprafata, masoara viteza undelor de suprafata, in functie de lungimea de unda. Viteze crescute corespund unui modul de elasticitate mai mare, deci unei calitati superioare a materialului. Este necesar acce­sul la o singura fata a materialului.

Metoda este aplicabila cu rezultate bune pentru pereti grosi de piatra sau zidarie, dar un impediment este prezenta unui material absor­bant, de exemplu ipsos.

Citirile se fac in frecventa (KHz), in functie de defazaj (grade). Ca si la celelalte metode bazate pe viteza undelor, citirea si interpretarea datelor nu este usoara, iar echipamentul destul de scump.

Metoda cantitativa cu ultrasunete

Metoda cantitativa cu ultrasunete este bazata pe tehnica de masurare „impuls-ecou“. Modul de propagare al impulsurilor de frecventa ultraso­nica (20 Khz – 200Khz), transmise betonului sau altui material prin cuplaj mecanic, depinde de caracteristicile materialului. Calitatea si defectele materialului influenteaza viteza de propagare, amortizarea si forma undei la receptie. În acest fel, se pot determina starea de fisurare a materialului.

Impedimentul de baza este separarea frecventelor parazite, care apar din cauza neomogenitatii materialelor si care se suprapun peste armonicele impulsului purtatoare de informatii privind defectele materialului. Pentru rezolvarea pro­blemei se recurge la calcule mate­ma­tice complexe prin realizarea mediei de putere pentru fiecare componenta a semnalului.

Aceasta metoda, care necesita un echipament special diferit de cel curent si dotat cu tehnica de calcul si-a demonstrat utilitatea la detec­tarea fisurilor si evolutiei lor, la detectarea deteriorarilor din inghet-dezghet, la inspectarea toroanelor, inclusiv in zonele de ancoraj.

Metoda tomografiei sonice

Este un procedeu care combina tomografia computerizata la frecvente sonice cu tehnicile de vizualizare recente.

Colectarea datelor se realizeaza prin propagarea undelor acustice, prin mediu, de la surse (ciocan, aer comprimat, exploziv) la receptor (senzor piezoelectric, accelerometru, geofon sau hydrofon). Amplasarea sursei si receptorului poate varia astfel incat undele sa acopere din plin sectiunea supravegheata, in mod uniform si in numeroase directii. Se obtine un numar mare de date, exprimate prin timpul de tranzit al undelor longitudinale, folosite pentru a construi schema distributiei vitezelor in sectiune. Viteza este determinata de modulul de elasticitate, de densitate si, indirect, de rezistenta la compresiune a betonului si de defectele prezentate de acesta.

Problema principala la investigarea intr-un anumit plan este gasirea unui model matematic care sa corespunda repartitiei vitezelor, masurate experimental. Ambele metode sunt laborioase, necesita programe speciale si ajustari pentru optimizare. Metoda a dat rezultate bune la investigarea elementelor structurale (stalpi, piloni).

Termografia in infrarosu este o metoda de testare pe suprafata. Foloseste fluxul de energie termica aplicat pe suprafata materialului sau generat de tensionarea materialului, flux care este afectat de proprietatile izolatoare ale materialului si de gradul in care suprafata acestuia radiaza energie. Rezulta dife­rente de temperatura a suprafetelor, care sunt inregistrate folosind camere foto cu infrarosu sau invelisuri speciale termice.

Echipamentul consta dintr-o camera video cu instalatie speciala de racire, cu cristale semiconductoare in nitrogen lichid. Se face fotografierea suprafetei, iar culorile rezultate indica variatiile de tempe­ratura a suprafetelor. Culorile translateaza de la negru-violet pentru rece la rosu-alb pentru cald.

Sunt detectate scurgerile de aer, diferitele tipuri de materiale precum si anomaliile de suprafata sau din interior, puntile, canalele interioare sau alte falii termice ale constructiei, cat si suprafetele umede.

Este foarte utila la detectarea scurgerilor de la acoperisuri – factor important de deteriorari la cladiri vechi, cum sunt monumentele istorice – a fisurilor in fatade, a izolatiilor defecte la acoperisuri-terasa, la starea peretilor sub zugraveala.

Pentru zidarie, se obtin date privind deteriorarile, care au tempe­raturi diferite, legate de continutul diferit de umezeala in caramida si piatra poroasa, deteriorata.

Metoda este capabila sa semnaleze doar anomaliile pe suprafata si amplasarea lor; nu poate determina adancimea si grosimea acestora. Rezultatele sunt influentate de factori de mediu exteriori (tempe­ratura si umiditatea).

Reflectografia cu infrarosii se aplica pentru determinarea gradului de penetrare a umezelii in pereti.

Utilizarea microundelor (radar)

Proprietatile de propagare a microundelor pot furniza informatii pretioase asupra structurii materialelor si pot sta la baza unei metode nedistructive de incercare a constructiilor. Aceste metode se bazeaza pe doua caracteristici ale microundelor:

• Modul diferit de propagare in medii diferite – ceea ce permite (la fel ca la procedeele optice) masu­rarea diferitelor marimi geometrice (distante, deplasari, viteze). Puterea lor de penetrare permite analiza in profunzime a unui material pentru localizarea defectelor, discontinui­tatilor sau corpurilor straine.

• Utilizand energii slabe, se pot caracteriza proprietatile unui material prin pierderile sale dielectrice.

În diagnosticarea cladirilor vechi, mai ales a monumentelor istorice, metoda este utilizata la:

• detectarea unor caracteristici ascunse sub zidurile, pardoseala sau tavanul constructiilor vechi;

• detectarea prezentei mai multor straturi in zidarie (prin reflectarea microundelor de stratul de legatura);

• detectarea golurilor importante;

• prezenta elementelor moderne de metal introduse in zidarie;

• zonele dezintegrate sau deteriorate;

• determinarea continutului in umiditate a materialelor din zidarie.

Dat fiind domeniul extrem de frecventa utilizat (0,5-4 GHz), aplicarea microundelor prezinta nume­roase dificultati:

• necesitatea unei aparaturi foarte pretentioase (radar), cu performante superioare celor utilizate in observatia aeriana;

• domeniile de aplicare sunt limitate la medii cu constante dielectrice ridicate;

• solurile foarte umede, invelisu­rile bituminoase, argilele plastice atenueaza puternic semnalul, limi­tand adancimea de penetrare;

• interpretarea laborioasa si critica a rezultatelor (necesita numeroase corectii);

• iradierea personalului.

Metoda fibrelor optice

Cunoaste numeroase aplicatii in tehnica de diagnosticare a constructiilor. Instrumentul, denumit „fibroscop“, este format dintr-un manunchi de fibre optice flexibile, iar instrumentul denumit „borescop“, din fibre optice rigide. O parte din fibre au rol de a transmite radiatiile unei surse de lumina foarte puternice, situata la un capat, celelalte servind la vizualizarea obiectului prin lentile foarte puternice. Extremitatea „de vizualizare“ a cablului poate fi rotita pentru a da imagini din diferite unghiuri.

Aceste instrumente au aplicatii si in evaluarea structurilor vechi, dar cu anumite limitari. Este obligatoriu sa existe spatii libere in care sa se poata insera cablul pentru observatii vizuale. Structurile din zidarie masive nu poseda, de regula, spatii in care sa se poata introduce dispozitivul.

Metoda s-a experimentat la constructiile din lemn, unde se poate face o gaura mica in suprafata fini­sata cu tencuiala sau lemn, pentru introducerea cablului flexibil si culegerea unui numar mare de informatii.

Fata de alte tehnici de masura, in cazul in care nu exista alte posibi­litati de cunoastere a structurii interne a elementului, se recomanda executarea unui orificiu (diametru de cca 12 mm) si introducerea unui borescop cu fibre optice. De asemenea, se pot utiliza rosturile si fisurile pentru introducerea unui endoscop. Un parametru important al dispozitivului este distanta focala, pentru evaluari structurale fiind recomandate distante focale mari.

Metode magnetice

Pentru diagnosticarea constructiilor, se utilizeaza metoda de detec­tare a corpurilor metalice incluse, folosind un aparat denumit „pahometru“.

Metoda se bazeaza pe perturbarea campului magnetic, generat de o bobina, in prezenta unui element metalic. Perturbatia este proportionala cu marimea obiectului si apropierea de traductor. Traductorul este directional, deci deviatia este importanta cand axa longitudinala a lui si axa longitudinala a obiectului metalic sunt colineare.

Aparatul a dat rezultate bune la detectarea grinzilor metalice care suporta arcurile de caramida, cu cca 9 inch acoperire, desi nu aparea niciun element metalic la suprafata. De asemenea, se pot detecta coloane de otel in interiorul unei acoperiri cu granit de 8 inch. Se pot detecta usor si ancoraje de fier in peretii de piatra. Aparatul, dotat cu calculator, vizualizeaza pozitia si diametrul si prelucreaza datele.

Detectia electromagnetica este recomandata si in cazurile in care este necesara certitudinea ca nu exista obiecte metalice ascunse, care pot perturba aplicarea altor metode.

Utilizarea razelor X si Gamma: sursa de radiatii se plaseaza pe o parte a elementului studiat, iar filmul fotografic pe cealalta parte. Absorbtia razelor este proportionala cu densitatea si numarul atomic al elementului.

Radiografia cu raze X sau Gamma este utila mai ales la localizarea si determinarea diame­trului armaturilor inglobate.

Metoda cu raze Gamma este utilizata pentru beton pana la 50 cm, iar cea cu raze X pentru beton pana la 25 cm. Daca nu se cunoaste acoperirea cu beton si nici diametrul armaturii, se utilizeaza metoda dublei expuneri. În caz ca grosimea este mai mare, se practica gauri pentru introducerea sursei. Metoda are avantajul ca imaginea poate fi usor interpretata.

Metoda geoelectrica

În aceasta metoda, un camp electric continuu este indus in zona de testat prin unul sau mai multi electrozi. Este calculata rezistivitatea materialului tinand cont de curentul prin echipament, diferenta de tensiune dintre doua probe (care masoara diferenta de potential intre suprafetele pe care sunt montate) si de un factor specific, derivat din configuratia folosita. Valoarea depinde, mai ales, de „continutul in umiditate“ si de „concentratia sarurilor dizolvate“.

Prin aceasta metoda este posibil a se stabili „harta zonelor de umiditate“ si a se investiga structura unei cladiri, mai ales din punctul de vedere al stratificarii si golurilor.

O varianta a metodei geoelectrice, metoda potentialului propriu este bazata pe fenomenul de gene­rare a unui camp electric de un metal in stare de coroziune. Acest camp este sesizat de doua probe. Metoda este foarte utila la detectarea unui proces activ de coroziune, cu conditia ca amplasarea metalelor inglobate sa fie cunoscuta si ca unul din senzori sa fie plasat direct pe metal. Metoda are o rezolutie mult mai mica decat metoda radarului.

Metode de masurare a umiditatii

Exista diferite aparate destinate masurarii starii de umezeala, in special a zidariei:

• aparat de masurare a conductivitatii;

• metoda capacitiva;

• aparatura cu neutroni.

Sistem optic pentru masurarea cu laser – utilizat la masurarea deplasarii structurilor, este perfectionat pentru observatii pe timp lung, in regim static sau dinamic.

Vizualizarea structurii interne cu camere de televiziune – Metoda a fost utilizata pentru a cunoaste mai bine structura interna a zidariei.

Combinarea metodelor nedistructive

Este recomandabila combinarea diferitelor metode nedistructive pentru obtinerea unor date concludente si anume combinarea metodei radar cu alte metode, deoarece radarul este foarte versatil, furnizeaza date precise si opereaza rapid. Pentru interpretarea verificarilor si precizarilor se foloseste o alta metoda, eventual cu mai putine puncte de masura.

De exemplu, radarul este potrivit pentru detectarea straturilor, dar nu ofera date privind miezul, in cazul unei zidarii cu mai multe straturi. În acest caz, se face apel la metoda seismica, masurand viteza de propagare a undelor elastice in zidarie; masurarea vitezei de propagare in piatra se face la suprafata sau in gaurile obtinute prin carotare, prin metode ultrasonice. Daca cele doua metode dau rezultate diferind semnificativ este indiciul existentei unui gol.

În alte cazuri, anomaliile care sunt detectate cu radarul nu pot fi clasificate. Se folosesc metode magnetice sau geoelectrice pentru detectarea unor metale incluse. Metoda potentialului propriu se foloseste pentru detectarea unui camp activ de coroziune.

Daca utilizarea a doua metode nedistructive da rezultate cu dispersie mare, se recomanda verificarea lor prin probe.

Metoda „flat-jack”

Metoda, denumita si a „eliberarii partiale“ sau „a despicarii“, permite masurarea directa a eforturilor in elementul de constructie, fara a se recurge la legea de comportare a materialului.

Metoda consta in realizarea unei despicaturi, perpendiculare pe direc­tia eforturilor ce urmeaza a fi masurate, urmata de introducerea in despicatura a unei prese plate, in vederea generarii unei presiuni in interiorul despicarii, pana la restabilirea starii initiale de deformatii. Starea initiala de deformatii se determina prin masurari extensometrice, efectuate inainte de despicare.

Independent de starea elastica, presiunea necesara pentru reveni­rea la starea initiala reprezinta starea de eforturi existenta inainte de despicare.

Aceasta metoda este aplicata pe scara larga la constructiile vechi (aproape la toate monumentele istorice), in doua faze ale actiunii de reabilitare si prezervare:

• diagnosticarea starii construc­tiei, pentru stabilirea caracteristicilor structurale ale zidariei vechi, masu­ra­rea starii reale de eforturi;

• monitorizarea comportarii in timp a elementelor, prin realizarea periodica de masurari pentru supravegherea modificarii starii de eforturi, mai ales in cazurile cand deteriorarile initiale nu au putut fi inlaturate prin reabilitare (de exemplu: tasari evolutive, modificari ale panzei freatice etc.).

Bibliografie

[1] S. Tologea, „Probleme privind patologia si terapeutica constructiilor“, Editura Tehnica, 1976;

[2] D. Georgescu, „Aspecte privind durabilitatea constructiilor din beton armat“, teza de doctorat, UTCB, 2000;

[3] A. Popescu, „Biodeteriorarea constructiilor“, teza de doctorat, UTCB, 1999;

[4] „Comportarea in situ a constructiilor“, Materialele conferintei nationale, 1994, 1996;

[5] P. Popescu, „Metodologii si tehnici experimentale in studiul starii de eforturi si deformatii ale elementelor si structurilor din beton armat“, teza de doctorat, UTCB, 1997;

[6] I. Pepenar, „Analiza unor constructii degradate datorita feno­­m­e­nului de coroziune“, referat INCERC, 1995;

[7] P. Popescu, „Degradarea constructiilor“, Editura Fundatiei Romania de Maine, 2002;

[8] A. Vann, J. Davis, „Monitoring Instrumentation Fault Diagnosis and Data Interpretation“, IABSE, Bergamo, 1995, p.147;

[9] J. Rhazi, Y. Kharrat, „Sonic Tomography Analysis of Concrete Structures“, IABSE, San Francisco, 1995, p. 183;

[10] S. Matthews, F. Tsui, „Radar Inspection of Structures“, IABSE, San Francisco, 1995;

[11] M. Chandoga, A. Jarosevici, „Reliable method for long-therm monitoring prestressed concrete structures“, Civil Infrastructures Systems for next century: a global partnership in research, Cracow, Poland, oct.1996, p.71;

[12] N. Krstulovic-Opara, „Non-destructive Testing og High performance Composites“, Curent State and Future Needs – a global partnership in research, Cracow, Poland, oct.1996, p.111.

(Continuare in numarul viitor)

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 48 – mai 2009

Autor:
ing. Fanel-Eduard IORGA