Elektroakustické Elektroakustické metody I. - ultrazvukmetody I. - ultrazvuk

FAKULTASTAVEBNÍÚstav stavebního zkušebnictví

VYSOKÉUČENÍ

TECHNICKÉ

V BRNĚ

Ing. Petr Cikrle, Ph.D.Ing. Petr Cikrle, Ph.D.

Obsah přednášky Obsah přednášky

1) Úvod – Přehled elektroakustických metod, definice, využitelnost v praxi

2) Podstata ultrazvuku, teoretické základy vlnění

3) Ultrazvuková metoda průchodová

4) Stanovení vlastností betonu – stejnorodost, modul pružnosti, pevnost v tlaku

5) Defektoskopie betonu

6) Závěr

Elektroakustické metodyElektroakustické metody

Charakteristiky šíření vlněníšíření vlnění jsou vázány na ty fyzikálně mechanické vlastnostifyzikálně mechanické vlastnosti, jimiž lze vyjádřit závislost mezi napjatostí a deformací materiálu:

Moduly pružnosti v tahu a tlaku Edyn a smyku Gdyn

Poissonův součinitel dyn

Útlumové charakteristiky

Vazba na pevnosti je problematická

Přehled metod EA - NDTPřehled metod EA - NDT

Impulsní metody:Impulsní metody: 1) tlumeného rázu

(tuhost vozovek), 2) impact -echo 3) akustická emise, 4) ultrazvuková,4) ultrazvuková, 5) rezonanční.5) rezonanční.

Spojité metody:Spojité metody:

5) rezonanční,5) rezonanční,

6) vibrační metoda příčného kmitání,

7) fázových rychlostí

8) mechanické impedance.

ad 2) Metoda impact-echoad 2) Metoda impact-echo

Kladívkem se vyvodí ráz a současně se spustí měření času

ad 2) Metoda impact-echo ad 2) Metoda impact-echo (kladívková)(kladívková)

Pružný impuls (čelo vlny) se šíří materiálem

ad 3) Metoda akustické emisead 3) Metoda akustické emise

Princip: V zatěžovaném prvku vznikají mikroporuchy, které vyvolávají mechanické impulsy dilatačních vln.

vlny se šíří prostředím a jsou snímány piezoelekt. snímači;

vznikají i akustické šumy z vnějšku (třeba je oddělit);

lze určit polohu vznikajících trhlin a během zatěžování sledovat jejich případný rozvoj;

možnost stanovení dosavadní historie zatěžování - Kaiserův efekt: pokud je napětí nižší než v minulosti bylo, neregistrujeme žádné nové vzruchy.

vyhodnocení není zcela bez problémů

METODA ULTRAZVUKOVÁ METODA ULTRAZVUKOVÁ

Součást nauky o vlnění, jehož frekvence leží nad slyšitelnou oblastí pro lidské ucho

Infrazvuk < 16 Hz

Zvuk 16 Hz až 16 kHz (technicky 20 kHz)

Ultrazvuk 20 kHz až 100 MHz

Hyperzvuk nad 100 MHz

Ultrazvuková impulsní metoda ve Ultrazvuková impulsní metoda ve stavebnictvístavebnictví

Spočívá v opakovaném generování mechanických impulsů (nad 20 kHz),

vlnění impulsní - 1 pracovní frekvence sond ve stavebnictví kmitočty od 20 do 500 kHz,

Příklady využití UZ ve stavební Příklady využití UZ ve stavební praxi praxi

Je možné zkoušet malé vzorky v laboratoři, větší prvky i přímo celé konstrukce.

Moduly pružnosti dynamické → statické

Stejnorodost - soubor vzorků, po výšce průřezu, stejnorodost v rámci celé konstrukce

Zrání materiálu – nárůst pevností cementu, betonu

Mrazuvzdornost – poruchy vnitřní struktury

Poruchy a defekty, trhliny

Stručné teoretické základy EA Stručné teoretické základy EA metod: Vlněnímetod: Vlnění

Rozruchem dochází ke změně polohy částic, každá částice se posouvá z původní rovnovážné do mezní

polohy, částice se vlivem pružnosti prostředí vrací přes

rovnovážnou polohu až dosáhne opačné mezní polohy, kmitá, až se utlumí, Amplituda Amplituda UU - mezní vzdálenost od rovnovážné polohy, perioda kmitu perioda kmitu TT: doba jednoho kmitu, kmitočet (frekvence) kmitočet (frekvence) ff: počet kmitů za sekundu f=1/T

Vznik vlny a vlněníVznik vlny a vlnění

Hmotné body jsou vzájemně vázány vazbami

Kmitavý pohyb se postupně přenáší mezi sousedními částicemi

Dochází ke zhuštění a zředění částic Za další okamžik dojde k posunu zhuštění a

zředění ve směru rozruchu – šíří se tlaková vlna

Poissonův poměr Poissonův poměr

Poměr mezi příčnou a podélnou deformací při jednoosém namáhání• Pro různé materiály různý od 0,00 do 0,50!• Pro beton uvažovat buď = 0,20, anebo podle rezonanční metody, anebo norma ČSN 73 1371 pod čarou uvádí = 0,24

12

G

Ev

Ukázky měření přístrojem TICOUkázky měření přístrojem TICO

Možnosti prozvučování se dvěma Možnosti prozvučování se dvěma sondamisondami

Ukázky měření přístrojem TICOUkázky měření přístrojem TICO

Postup ultrazvukového měření Postup ultrazvukového měření

Vytyčení měřicí základny - délka Vytyčení měřicí základny - délka LL

akustický vazebný prostředek (gel, plastelína) akustický vazebný prostředek (gel, plastelína)

kalibrace přístroje etalonem - čas etalonu kalibrace přístroje etalonem - čas etalonu ttE, E,

etalon změřen UZ přístrojem etalon změřen UZ přístrojem ttMEME

mrtvý čas mrtvý čas ttKORKOR = t = tMEME - t - tEE

měření doby průchodu UZ materiálem měření doby průchodu UZ materiálem ttLL

korigovaná doba průchodu korigovaná doba průchodu ttii = t = tLL - t - tKORKOR

Vyhodnocení UZ měření Vyhodnocení UZ měření

Vyhodnocení rychlosti šíření impulsů UZ vlněníVyhodnocení rychlosti šíření impulsů UZ vlnění

][ 1

ms

tt

Lv

KORLL

Dynamický modul pružnosti v tahu/tlakuDynamický modul pružnosti v tahu/tlaku

][101 6

22 MPa

kvE Lbu

kk je souč. rozměrnosti je souč. rozměrnosti

Pevnost betonu v tlaku: zatím spíše orientačně Pevnost betonu v tlaku: zatím spíše orientačně

Rychlost šíření vlněníRychlost šíření vlnění

Rychlost šíření UZ:Rychlost šíření UZ:

Vlnová délka:Vlnová délka:

][ 1 mst

Lv

][mf

vL

][ 1 msfT

v

Posouzení rozměrnosti prostředíPosouzení rozměrnosti prostředí

Vlnová délka:Vlnová délka:

Prostředí je jednorozměrné, jestliže pro rozměry Prostředí je jednorozměrné, jestliže pro rozměry vzorku, kolmé ke směru šíření ultrazvuku platí:vzorku, kolmé ke směru šíření ultrazvuku platí:

a, b, nebo d a, b, nebo d 0,2 . 0,2 . , pak platí v, pak platí vLL = v = vL1L1..

][mf

vL

Prostředí je trojrozměrné, jestliže platí:Prostředí je trojrozměrné, jestliže platí:

a, b, nebo d a, b, nebo d 2 . 2 . , pak platí v, pak platí vLL = v = vL3L3

Součinitel rozměrnosti kSoučinitel rozměrnosti k33

Tab. 1 (ČSN 73 1371)

Délka vlny při dané rychlostiDélka vlny při dané rychlosti

Vlnová délka:Vlnová délka:

Příklad: UZ se betonem šíří rychlostí 4000 msPříklad: UZ se betonem šíří rychlostí 4000 ms -1-1

frekvence sond: 20 40 80 160 kHz

délka vlny: 200 100 50 25 mm

][mf

vL

Běžně dodávané sondy: 24, 37, 54, 82, 150 kHzBěžně dodávané sondy: 24, 37, 54, 82, 150 kHz

Příklad výpočtu modulu EPříklad výpočtu modulu Ebubu

1. Vypočtěte rychlost šíření impulzu ultrazvukového vlnění v betonové stěně tloušťky 100 mm když víte, že naměřená doba průchodu impulzu UZ vlnění je 26,1 s, doba průchodu impulzu UZ vlnění etalonem je 111,7 s a časová charakteristika etalonu je 109,8 s.

smtt

Lv

korLL /4132

109,11,26

1003

Příklad výpočtu rozměrnosti prostř.Příklad výpočtu rozměrnosti prostř.

2. Určete rozměrnost prostředí u betonového vzorku s rozměry d=100 mm, L=200 mm. Při měření impulzů UZ vlnění v podélném směru byla rychlost jejich šíření 4050 m/s a jmenovitá frekvence použité sondy 150 kHz.

d 2 . 100 2 * 27 trojrozměrné

mmmf

vL 27027,010150

40503

Příklad výpočtu modulu EPříklad výpočtu modulu Ebubu

3. Impulzová rychlost šíření podélného UZ vlnění v betonu je 4050 m/s. Objemová hmotnost tohoto betonu je 2200 kg/m3. Vypočtěte jeho dynamický modul pružnosti v tlaku.

MPaMPak

vE L

bu 325003248310054,1

4050220010 6

2

26

2

2

Stanovení pevnosti v tlaku z UZ Stanovení pevnosti v tlaku z UZ

Kalibrační vztah mezi rychlostí šíření UZ vlnění a Kalibrační vztah mezi rychlostí šíření UZ vlnění a pevností v tlaku musí mít spevností v tlaku musí mít srezrez maximálně 12%. maximálně 12%.

obecné vztahy (min. 300 vzorků) – chyba 30-50% obecné vztahy (min. 300 vzorků) – chyba 30-50%

směrné vztahy (min 100 vzorků) – chyba 25-30%směrné vztahy (min 100 vzorků) – chyba 25-30%

určující úzké – 1 třída, 18-24 vzorků, chyba do 20%určující úzké – 1 třída, 18-24 vzorků, chyba do 20%

určující široké – více tříd, chyba do 15%určující široké – více tříd, chyba do 15%

Velký vliv má kamenivo! – proto moc nefunguje Velký vliv má kamenivo! – proto moc nefunguje obecný ani směrný vztah.obecný ani směrný vztah.

Kalibrační vztah pro pevnost v tlaku Kalibrační vztah pro pevnost v tlaku

Pro Moravu (záp. Slovensko) vztah v ČSN 73 1371:Pro Moravu (záp. Slovensko) vztah v ČSN 73 1371:

vvL3L3 se dosazuje v km/s; se dosazuje v km/s;

Platí pro betony stáří 28-56 dnů.Platí pro betony stáří 28-56 dnů.

8,87569,9 32

3 LLbe vvR

Závislost mezi rychlostí šíření UZ vlnění a Závislost mezi rychlostí šíření UZ vlnění a pevností v tlaku betonu (ČSN 73 1371)pevností v tlaku betonu (ČSN 73 1371)

0,0

5,0

10,0

15,0

20,0

25,0

30,0

35,0

40,0

45,0

50,0

2500 3000 3500 4000 4500 5000

rychlost ultrazvuku vL [m/s]

pevn

ost v

tlak

u R b

e [M

Pa]

B 10 B 15

Kalibrační vztah ÚSZK VUT v Brně. Kalibrační vztah ÚSZK VUT v Brně.

fc,cube = 0,5018 vL3,0566

R2 = 0,922

fc,cube = 9,9vL2 - 56vL + 87,8

0,0

10,0

20,0

30,0

40,0

50,0

60,0

0,00 1,00 2,00 3,00 4,00 5,00

vL [km/s]

f c,c

ub

e [M

Pa]

Defektoskopie betonuDefektoskopie betonu

Příklad znázornění kvality betonu prostřednictvím izovel – čar o stejné rychlosti šíření UZ vlnění

A B C D E

1

2

3

4

5

Rychlost šíření UZ vlnění dílcem

4100-4200

4000-4100

3900-4000

3800-3900

3700-3800

v L [m/s]

Příklad znázornění dutin uvnitř betonu – masivní bloky

A B C D E F G H I J K L M

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

Rychlost šíření UZ vlnění dílcem

4425-4500

4275-4350

4200-4275

4125-4200

4050-4125

3975-4050

3900-3975

v L

Ultrazvuková metoda - závěrUltrazvuková metoda - závěr

Výborná zejména pro zjištění stejnorodosti betonu

Dynamický modul pružnosti betonu, výhoda in situ!

Ideální pro prvky přístupné z obou stran – trámy, sloupy

Pro pevnost v tlaku je metoda spíše relativní, přesná kalibrace je možná pro určující vztah, obecná je obtížná.

Je možné vizualizovat změny ve struktuře.

Ačkoliv je čistě NDT, přece jen umožňuje identifikovat „problém“ uvnitř struktury.