научная статья по теме СВЯЗЬ СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ С ПРОЦЕССАМИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ Общие и комплексные проблемы технических и прикладных наук и отраслей народного хозяйства

Текст научной статьи на тему «СВЯЗЬ СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ С ПРОЦЕССАМИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ»

УДК 620.179.17

СВЯЗЬ СИГНАЛОВ АКУСТИЧЕСКОЙ ЭМИССИИ С ПРОЦЕССАМИ ДЕФОРМИРОВАНИЯ И РАЗРУШЕНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ

А.И. Сагайдак, C.B. Елизаров

Исследованы параметры и спектры сигналов акустической эмиссии, возникающих при испытании сборных железобетонных конструкций. Приведено их информативное содержание применительно к развивающимся повреждениям при силовом воздействии на конструкции.

Метод акустической эмиссии (АЭ) находит все более широкое применение для диагностики сосудов давления, трубопроводов, деталей машин и механизмов, прогнозирования выбросов в угольных шахтах. Появилось новое поколение акустико-эмиссионных систем, позволяющих в реальном масштабе времени производить регистрацию и обработку получаемой информации. По-прежнему актуальной остается проблема информационного содержания регистрируемых параметров сигналов АЭ. В данной работе обсуждаются результаты исследования связи ряда параметров и спектров сигналов АЭ с процессами деформирования и разрушения сборных железобетонных конструкций.

Эксперименты проводились на железобетонных балках. Балки изготавливались из тяжелого бетона класса В25 по прочности на сжатие. Их геометрические размеры следующие: длина — 2200 мм, высота — 290 мм, ширина — 160 мм. Балки армировались двумя стержнями арматуры класса AtV диаметром 16 мм. Арматура балок преднапрягалась. Способ натяжения арматуры механический на упоры. Испытывались две балки. Балки отличались друг от друга величиной преднапряжения арматуры. Величина преднапряжения в балке № 1 составляла 60 кН, в балке №2 — 110 кН. Нагрузку к балкам прикладывали при помощи гидравлического домкрата и ручной насосной станции. Нагрузка от домкрата через жесткую распределительную траверсу прикладывалась к балке сосредоточенно в двух точках, расположенных на расстоянии 670 мм от торцов балок. Балки опирались шарнирно на две опоры. Расстояние от торцов балок до опор было 150 мм. Режим приложения нагрузки на балки был принят ступенчатым.

После каждого этапа приложения нагрузки в балках измерялся прогиб, фиксировались трещины, измерялась их длина и ширина раскрытия. В том случае, если существующая трещина на последующем этапе приложения нагрузки "прорастала", фиксировалась и измерялась и эта величина. Длины всех трещин, зафиксированных на этапах испытания, суммировались. Общая длина трещин, измеренная в ходе экспериментов, впоследствии нами использовалась для анализа информативности параметров сигналов АЭ.

Прогибы конструкций измерялись в середине пролета балок при помощи прогибомеров с ценой деления 0,01 мм.

Акустико-эмиссионные измерения выполняли с использованием вось-миканальной цифровой АЭ системы серии A-Line 32D (ISA). Акустико-эмиссионный прибор выпускается ООО "Интерюнис" (Москва). A-Line 32D представляет собой многоканальную систему сбора и обработки аку-стико-эмиссионной информации, получаемой с исследуемой конструкции от акустических датчиков в процессе проведения эксперимента.

Датчики АЭ размещались на поверхности балок в трех плоскостях. Для локации источников сигналов АЭ измерялась скорость распространения сигнала АЭ, формировалась локационная группа датчиков, позво-

ляющая вычислять координаты источников АЭ в объеме бетона конст-

рукции.

Техническая характеристика используемого АЭ комплекса

частота оцифровки АЭ сигнала, МГц....................................................................................................................5

динамический диапазон измерения амплитуды АЭ сигнала, дБ............................66

точность измерения временных параметров АЭ сигнала, мкс................................±1

уровень шума, приведенного ко входу, не более, мкБ............................................................5

полоса пропускания канала измерения, кГц............................................... 10—500

В качестве чувствительных элементов использовались широкополосные пьезоэлектрические преобразователи марки ПАЭПК-30-300 производства ООО "Донские измерительные системы".

Система A-Line 32D производит регистрацию и анализ акустических сигналов в реальном масштабе времени, включая локализацию источников АЭ и вычисление спектров АЭ импульсов. Подробно познакомиться с характеристиками АЭ-комплексов, выпускаемых ООО "Интерюнис", можно на интернет-сайте компании www.interunis.ru.

Одной из задач, которая ставилась при проведении экспериментов, — выяснить, какую информацию содержат в себе регистрируемые сигналы АЭ. В статье рассматриваются следующие параметры сигналов АЭ:

временной интервал следования потока акустико-эмисионных событий;

спектры сигналов АЭ;

длительность сигналов;

активность АЭ;

энергия.

Процесс разрушения можно представить в виде потока событий, каждое из которых описывается координатами во времени и пространстве и представляет собой раскрытие отдельной микротрещины. Выделяемую при этом в виде упругих волн энергию можно регистрировать преобразователями АЭ, что позволяет сопоставить процессу накопления микротрещин поток АЭ-событий.

Как показал обзор литературных данных, статистический анализ потока АЭ событий возможно использовать для диагностики наступления предельного состояния конструкции. Проведенные исследования в металлах, композиционных материалах показали, что на стадии деформирования (до образования трещин) временной поток АЭ-событий может быть описан пуассоновским законом распределения. Известно, что стандартное отклонение 8 временного потока АЭ-событий равно их среднему значению At. Для пуассоновского закона справедливо соотношение (1), которое имеет устойчивое (инвариантное) значение, равное единице [1,2].

/, = 8/Дг = 1. (1)

Как только в материале конструкции образуются трещины, происходит их дальнейший рост, инвариант /, принимает числовое значение, не равное единице.

На рис. 1 приведены экспериментальные гистограммы плотности распределения временных интервалов следования потока АЭ-событий. Для примера на рисунке представлены два этапа испытания железобетонной балки: а) этап испытания, на котором не было зафиксировано образование трещин в бетоне балок; б) этап испытания, на котором в балке образовались трещины.

3 Дефектоскопия, №11, 2004

Интервал А Г был принят равным 1000 мкс. На представленных рисунках также показана функция пуассоновского закона распределения (2)

\ViAt) = N ■ ехр(-Л? • Дг), (2)

где — функция пуассоновского закона распределения; N — зарегистрированные акустико-эмиссионные события; Дг — временной интервал (мкс).

л к я

а

I §

в Е

я

К вз

5 о

X и о и ц 14

<и и «

° , ос о

50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0

■ я о

■ ч

св 03

о. ии

200

150

100

50

Функция р;

спределения

Интервалы Дг, мкс

250 т

б

У 1 Функция распр 1 / ^деления

V

1М|кА|1и|||пая=&

Интервалы Дг, мкс

Рис. 1. Гистограммы плотностей распределения временных интервалов следования потока АЭ-событий.

Из представленных рисунков следует, что до образования трещин (рис. 1а) распределение временных интервалов следования потока АЭ-событий хорошо подчиняется пуассоновскому закону. Образование повреждения приводит к отклонению от пуассоновской модели распределения (рис. 16).

На ранних стадиях испытания из-за незначительного количества регистрируемых сигналов исследование статистических параметров временных интервалов следования потока АЭ-событий некорректно.

На рис. 2 показан характер возникновения и развития трещин при испытании железобетонной балки. Показанные на рис. 2 данные в виде гистограмм характеризуют суммарную длину всех трещин, которые были

О

зафиксированы в балке на очередном этапе приложения нагрузки. На графике также приведены численные значения инварианта /,, вычисленного по формуле (1). Как видно из рисунка, образование трещин приводит к тому, что инвариант /, принимает численные значения, не равные единице. И, таким образом, условие

/, (3)

соответствует стадии образования трещин в бетоне конструкции. Как показали результаты экспериментов, не только трещины, но и образование других повреждений, например, сколов бетона, приводят к отклонению от пуассоновской модели.

2 1400 1200

Б Я

I 1000 &

2 3

5 6 7 8 9 10 Этап испытания

11 12 13

4,5 4

3,5 -3 2,5 Ё

я

я

2 &

я и

1 5 1

' К

1

0,5 0

Рис. 2. Характер изменения инварианта /. при образовании трещин.

Численные значения инварианта /, и такой параметр, как суммарная длина образовавшихся трещин, имеют высокую регрессионную связь. Инвариант /] является информативным статистическим параметром, весьма чувствительным к развитию трещин. Численные значения инварианта /,, по абсолютной величине значительно превышающие единицу, указывают на изменение масштабности разрушения. Нами было установлено, что появление и дальнейший рост магистральных трещин приводит к резкому увеличению численного значения инварианта /,.

Анализ потока АЭ-событий позволяет успешно установить стадии образования трещин. На рис. 3 показано изменение среднего значения временных интервалов Дг следования потока АЭ-событий в зависимости от характера образования трещин в бетоне балки. Образование трещины приводит к уменьшению численного значения временного интервала Дг. Характер следования временных интервалов Дг до момента интенсивного образования трещин имеет явную тенденцию к уменьшению численных значений /

Образование трещин приводит к значительному снижению численных значений временных интервалов следования АЭ-событий. Нам не удалось получить устойчивой связи между размерами трещин и временными интервалами следования потока АЭ-событий.

Результаты исследования спектрального состава сигналов АЭ показали, что образование трещин в конструкции приводит к уменьшению частотного диапазона. На рис. 4 показан характер изменения частотного диапазона сигналов АЭ в процессе испытания одной из балок. Рассмат-

з*

ривался усредненный спектр сигналов АЭ. Усреднение производилось по спектрам сигналов, зарегистрированных на этапе подъема нагрузки. Частота определялась по максимальной амплитуде усредненного спектра сигнала АЭ.

1400 г

1000000 х 900000

800000 700000 600000 500000

400000 3 300000 &

2 3 4

5 6 7

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком