ispitavanje metodom ultrazvuka
TRANSCRIPT
UNIVERZITET U BIHAĆU
TEHNIČKI FAKULTET
BIHAĆ
Diplomski rad
ISPITIVANJE ARMIRANOBETONSKIH KONSTRUKCIJA
ULTRAZVUKOM
ERVINA DIZDAREVIĆ
Bihać, 2011.
ISPITIVANJE ARMIRANOBETONSKIH KONSTRUKCIJA ULTRAZVUKOM
SAŽETAK
Ultrazvučna metoda spada u nerazorne metode ispitivanja, zasnovana je na principu odbijanja
ultrazvučnih talasa. Koristi ultrazvučne talase visoke frekvencije za mehanička ispitivanja na površini.
U građevinarstvu ultrazvučna metoda se koristi da se osigura kvaliteta tokom izvođenja konstrukcije,
za ispitivanje osnovnih konstrukcija zgrada i otkrivanje grešaka betonskih konstrukcija. Osobito,
zadaća ultrazvučnog ispitivanja je da odredi debljinu konstrukcije i lokalizira pukotine na jednoj strani
konstrukcije.U radu su prikazani rezultati laboratorijskog ispitivanja provedenog na 20 različitih
sastava betonskih mješavina.Varirani su vodocementni omjeri, veličina zrna agregata i udio polimera u
betonu. Utvrđena je ovisnost između mehaničkih svojstava betona ispitanih razornim ispitivanjem i
nerazornim metodama i to određivanjem indeksa sklerometra i mjerenjem brzine prolaska
ultrazvučnog impulsa.
Ključne riječi: laboratorijsko ispitivanje, nerazorne metode ispitivanja, indeks sklerometar,
ultrazvučni impuls
TESTING REIN-FORCED STRUCTURES BY ULTRASOUND METHOD
SUMMARY
Ultrasound method is a non-destructive testing method based upon ultrasonic wave, working in
reflection. The ultrasound method uses elastic waves at a low frequency range generated by a
mechanical impact on the surface. In the building industry the ultrasound method is used for quality
assurance during construction work, for inquiries of the basic structure of a building and for failure
analysis of concrete structures. In particular, common tasks are to determine thickness and to localize
flaws on on-sided accessible structures. Results of laboratory testing conducted on 20 different
concrete mix compositions are presented in the paper. The water-cement ratio, aggregate grain size,
and polymer content in concrete, were all varied in the course of the testing. The dependence between
mechanical properties of concrete tested by destructive testing and that tested by non-destructive
methods was determined, and this by defining the sclerometer index and by measuring velocity of
ultrasound impulse.
Key words: laboratory testing, non-destructive test methods, sclerometer index, ultrasound impulse
2
SADRŽAJ
POPIS SLIKA U RADU..........................................................................................................................5
POPIS TABLICA U RADU.....................................................................................................................7
1. UVOD...............................................................................................................................................9
2. OSNOVI ULTRAZVUKA I ULTRAZVUČNE DEFEKTOSKOPIJE.........................................11
2.1 Podjela grešaka u materijalu prema fazi nastajnja..................................................................12
2.2 Defektoskopija........................................................................................................................12
2.2.1 Klasifikacije....................................................................................................................13
2.3 Opšte.......................................................................................................................................14
2.4 Ultrazvučne metode................................................................................................................17
2.5 Teorijski modeli za procjenu svojstava očvrsnulog betona....................................................19
2.5.1 Polimerom modificirani betoni (PMB)..................................................................................20
2.5.2 Nerazorne metode ispitivanja.........................................................................................22
2.5.3 Određivanje dinamičkog modula elastičnosti ultrazvučnom metodom.........................22
2.5.4 Ispitivanje tlačne čvrstoće betona sklerometrom............................................................23
2.6 Eksperimentalni dio................................................................................................................24
2.6.1 Sastavi betonskih mješavina...........................................................................................24
2.6.2 Analiza rezultata ispitivanja...........................................................................................26
2.7 Varijable.................................................................................................................................32
2.8 Metode ispitivanja..................................................................................................................33
2.9 Ultrazvuk – metoda određivanja defekata..............................................................................34
2.9.1 Modul elastičnosti cementnog materijala.......................................................................37
2.9.2 Metode ultrazvučne karakterizacije materijala...............................................................39
3. PRIMJENA ULTRAZVUČNE DEFEKTOSKOPIJE U ISPITIVANJU
ARMIRANOBETONSKIH KONSTRUKCIJA.....................................................................................42
3.1. Historija objekta.....................................................................................................................42
3.2. Dijagnoza požarom oštećene ab konstrukcije.........................................................................44
3.2.1. Karakteristike djelovanja vatre na AB konstrukcije.......................................................44
3.2.2. Vizuelni pregled objekta.................................................................................................45
3.2.3. Ispitivanje konstrukcije kontrolama bez razaranja (KBR metodama)............................46
3.2.4. Ispitivanje AB nosača.....................................................................................................47
3.2.5. Ispitivanje AB stupova...................................................................................................50
3.2.6. Izvođenje zvučne tomografije na nosaču br. 2...............................................................52
3.2.7. Kemijska analiza uzoraka betona...................................................................................53
3
3.2.8. Analiza rezultata ispitivanja...........................................................................................53
3.2.9. Ispitivanje mosta od prednapetog betona.......................................................................55
4. USPOREDBA METODA ULTRAZVUČNE DEFEKTOSKOPIJE U ISPITIVANJU AB
KONSTRUKCIJA..................................................................................................................................58
4.1 Uporedna ocena metoda defektoskopija pri kontroli elementa od krupnostrukturnih materijala............................................................................................................................................58
4.2 Uporedba ultrazvuka i sklerometra.........................................................................................63
DODATAK.............................................................................................................................................68
5. ZAKLJUČAK.................................................................................................................................69
6. LITERATURA...............................................................................................................................71
4
POPIS SLIKA U RADU
Slika 2.1. Primjeri oštećenja betonskih konstrukcija: a) raspucavanje betona, b) korozija armature c)
korozija čelika za prednapinjanje...........................................................................................................11
Slika 2.2. Blok-shema defektoskopa zasnovana na metodi sjenke.........................................................14
Slika 2.3. Princip rada ultrazvuka...........................................................................................................16
Slika 2.4. a) uzorak sa jednom UZ glavom, b) uzorak sa dvije UZ glave..............................................17
Slika 2.5. Intervali infrazvuka, zvuka i ultrazvuka.................................................................................18
Slika 2.6. Mikroskopska slika a) lateksom modificiranog i b) običnog betona....................................20
Slika 2.7. Princip mjerenja ultrazvukom................................................................................................23
Slika 2.8. Sklerometar............................................................................................................................24
Slika 2.9. Određivanje statičkog modula elastičnosti.............................................................................26
Slika 2.10. Određivanje dinamičkog modula elastičnosti......................................................................27
Slika 2.11. Rezultati ispitivanja tlačne čvrstoće betona (Dmax=16 mm).................................................28
Slika 2.12. Rezultati ispitivanja tlačne čvrstoće betona savijanjem(Dmax=16 mm)................................29
Slika 2.12. Rezultati ispitivanja indeksa sklerometra za betone s 320 kg/m3 cementa (lijevo) i 400
kg/m3 cementa (desno)............................................................................................................................31
Slika 2.13. Ovisnost tlačne čvrstoće i indeksa sklerometra betona i mortne matrice za betone s 320
kg/m3 cementa i 5 % polimera (lijevo) i zabetone s 400 kg/m3 cementa i 5 % polimera (desno).........32
Slika 2.15. Ispitivanje materijala ultrazvukom.......................................................................................33
Slika 2.16. Ekran uređaja sa lokacijom greške.......................................................................................35
Slika 2.17. Određivanje grešaka impulsno-eho metodom......................................................................35
Slika 2.18. Prikaz određivanja dubine grešaka impulsno-eho metodom...............................................36
Slika 2.19. Uređaj za ultrazvučnu kontrolu i određivanje grešaka.........................................................36
Slika 2.20. Prikaz stepenaste ploče za ispitivanje debljine ultrazvučnom metodom..............................37
Slika 2.21. Radni dijagram cementnih uzoraka opterećenih na pritisak: a) beton manje čvrstoće, b)
beton velike čvrstoće..............................................................................................................................37
Slika 2.22. Pravokutni uzorak opterećen na pritisak, Poissonov omjer μ ~ 0,5 (guma).........................38
Slika 2.23. Ispitivanje ploče ultrazvukom..............................................................................................39
5
Slika 2.24. Mjerenje ultrazvučnim uređajem TICO Proceq Testing Instruments (El. uređaj: mjerno
područje ~15-6550 μs, rezolucija 0,1 μs, naponski puls 1 kV, Brzina ponavljanja pulsa 3 s-1, Ulazna
impedancija 1 MΩ; Ultrazvučne sonde: f=54 kHz)...............................................................................41
Slika 3.1. Zgrada Hrvatskog doma «Herceg Stjepan Kosača» u Mostaru..............................................42
Slika 3.2. Poprečni presjek zgrade..........................................................................................................44
Slika 3.3. Unutrašnjost kazališne dvorane..............................................................................................46
Slika 3.4. Raspored okvirnih nosača u kazališnoj dvorani.....................................................................48
Slika 3.5. Poprečni presjek AB nosača...................................................................................................49
Slika 3.6. Dijagonalna pukotina na okvirnom nosaču............................................................................49
Slika 3.7. Raspored stupova u kazališnoj dvorani..................................................................................50
Slika 3.8. Tlocrt stupa.............................................................................................................................50
Slika 3.9. Ispitivanje stupa br. 2.............................................................................................................51
Slika 3.10. Ispitivanje stupa br. 11.........................................................................................................51
Slika 3.11. Ispitivanje okvirnog nosača..................................................................................................52
Slika 3.12. Ispitivanje prednapetog mosta Impact-eho metodom..........................................................54
Slika 3.13. Skica konstrukcije mosta......................................................................................................56
Slika 3.14. Presjek ploče i prikaz šupljih tijela.......................................................................................56
Slika 3.17. Impact-ehogram dvije cijevi, mjerenje u sredini raspona duž kolnika.................................57
Slika 4.1. Poređenje osjetljivosti defektoskopije amplitudnom i vremenskom metodom sjenke..........59
Slika 4.2. Sastavni dijelovi sklerometra.................................................................................................63
Slika 4.3. Određivanje brzine ultrazvukom............................................................................................64
Slika 4.7. Princip rada EHO metode.......................................................................................................65
Slika 4.4. Mjerenje debljine ploče..........................................................................................................66
Slika 4.5. Određivanje šupljina i pukotina ispod ploče i kolnika...........................................................66
Slika 4.6. Kod zavisnosti fk-v eksponencijalna funkcija obično daje najbolje rezultate........................67
Slika 4.7. a) ultrazvučni aparat i b) mjerač debljine stjenke i defektometar.........................................68
Slika 4.8. Ultrazvučni impulsni aparat USM 35X S...............................................................................68
6
POPIS TABLICA U RADU
Tablica 2.1. Pregled odabranih sastava betonskih mješavina.................................................................25
Tablica 2.2. Volumenska gustoća, apsorpcija i udio pojedine frakcije agregata....................................25
Tablica 2.3. Rezultati ispitivanja statičkog i dinam. modula elastičnosti betona (Dmax =16 mm).......26
Tablica 2.4. Rezultati ispitivanja mehaničkih karakteristika mortne matrice (prosijani beton).............28
Tablica 4.1. Upoređivanja metoda ultrazvučne defektoskopije pri kontroli elemenata od....................58
krupnostrukturnih materijala..................................................................................................................58
Tablica 4.2. Ispitivanje karakteristika materijala/konstrukcija različitim metodama ispitivanja...........61
7
POPIS ZNAKOVA I SIMBOLA
ε – deformacija [MPa]
σ – napon [MPa]
υ – Poissonov broj
ρ – gustoća [kg/m3]
v – brzina prolaska ultrazvuka [m/s]
l – dužina [m]
t – vrijeme [s]
Ebd – dinamički modul elastičnosti betona [Pa]
Est – statički modul elastičnosti [GPa]
Edin – dinamički modul elastičnosti [GPa]
G – dinamički modul smičnosti
B – dinamički modul stlačivosti
fc – tlačna čvrstoća [MPa]
fb – vlačna čvrstoća [MPa]
μ – Poissonov omjer
f – frekvencija [Hz]
c – brzina širenja valova [km/h]
KBR – kontrola bez razaranja
PMB – polimerom modificirani beton
8
1. UVOD
Posljednjih godina povećana je primjena nerazornih metoda za dijagnostiku i defektoskopiju stanja
konstrukcija. Prednost je nerazornih metoda u njihovoj jednostavnosti i činjenici da ne oštećuju
konstrukciju ili uzrokuju samo manja površinska oštećenja. Interpretacija rezultata, međutim, jest
jedan od najzahtjevnijih zadataka u modernome graditeljstvu. Prednost primjene kombiniranih
nerazornih metoda vidljiva je kada varijacija određenog svojstva betona izravno utječe na rezultate
ispitivanja nerazornom metodom, ali ne u istoj mjeri. To je vidljivo na primjeru povećanja vlažnosti
betona pri čemu se ispitivanjem dobiva manja vrijednost indeksa sklerometra (odskoka), ali koja isto
tako povećava brzinu prolaska ultrazvučnih valova i na taj način smanjuje ili povećava preračunanu ili
izvedenu čvrstoću betona ako se koristi samo jedna metoda.
Tokom godina konstrukcije stare, a njihova se otpornost mijenja. Do dotrajalosti konstrukcije dolazi
zbog vremenskih procesa (npr. korozija, zamor) ili oštećenja konstrukcije nekim izvanrednim
događajima. Kombinacija agresivnih uvjeta izloženosti, neprikladne izvedbe detalja, zanemarivanje
trajnih problema, pogreške u izvedbi te podcjenjivanje važnosti održavanja mogu rezultirati ozbiljnim
oštećenjima. Potom, tokom vremena događaju se i promjene opterećenja (npr. povećanje prometnog
opterećenja na mostovima) ili se zahtijeva produženje vijeka trajanja konstrukcije.
Osim toga, zahtjevi za konstrukcije mijenjaju se i s razvojem i osuvremenjivanjem propisa i norma u
skladu s novostima u pristupu konceptu nosivosti i upotrebljivostii građevina te u skladu s novim
istraživanjima. Često postojeće konstrukcije, proračunate prema zastarjelim metodama i postupcima,
ne zadovoljavaju danas zahtijevane razine pouzdanosti.
Ocjenjivanje stanja postojećih konstrukcija temelji se na istim osnovnim postavkama kao i
projektiranje novih. Međutim, postoji vrlo bitna razlika. Naime, kada se konstrukcija projektira,
konzervativizam proračunskih modela opterećenja i otpornosti općenito je povoljan jer pokriva
nesigurnosti i osigurava pojednostavljenje procesa projektiranja za različite tipove konstrukcija. Osim
toga, postizanje veće pouzdanosti u fazi projektiranja ne povećava bitno troškove cijele konstrukcije.
Međutim, kad se ocjenjuje postojeća konstrukcija, troškovi zbog prekonzervativnih mjera mogu biti
mnogo veći. Stoga je opravdano razmatranje stvarnih djelovanja i otpornosti postojeće konstrukcije.
Ocjenjivanje postojećih konstrukcija možemo definirati kao proces kojim se utvrđuje s kolikom je
pouzdanošću postojeća konstrukcija sposobna preuzeti sadašnja i buduća djelovanja, ispunjavajući pri
tome zadaću svog postojanja u planiranom vremenu upotrebe.
9
Kako bi se dobile informacije o postojećoj konstrukciji prikupljaju se podaci, provode se proračuni te
se ocjenjuje pouzdanost postojeće konstrukcije. Širok je spektar postojećih metoda ocjenjivanja
različitih složenosti, a odabir odgovarajuće metode uvelike ovisi o postavljenim zahtjevima
ocjenjivanja. Ključno je na početku odrediti najznačajnija granična stanja. S tim graničnim stanjima
vezane su određene varijable, koje valja ispitati, a onda i primjenljive metode ocjenjivanja. Granična
su stanja izvan kojih konstrukcija više ne zadovoljava projektom predviđene zahtjeve, a to su nosivost
i upotrebljivost.
Kod ispitivanja konstrukcija sa razaranjem postoje dva osnovna nedostatka kod kojih se jedan
ispoljava u činjenici da se tokom ove vrste ispitivanja uzorci razaraju, a drugi, ozbiljniji nedostatak
predstavlja činjenica da ispitivanje sa razaranjem ne daje sliku o svojstvima materijala ugrađenim u
konstrukciju, nego samo o tome dijelu konstrukcije koji je uzet za epruvetu. Ispitivanje sa razaranjem
često iziskuje složene aparate i brižljivo pripremljene uzorke.
Danas već postoji veliki broj optičkih, akustičnih, magnetnih i električnih metoda koje omogućavaju
da se upotpunosti bez uništenja materijala odnosno konstrukcija ispita taj isti materijal ili konstrukcija.
Velika prednost ispitivanja bez razaranja je mogućnost korištenja ne samo na uzorcima u laboratoriju
već i na terenu. Iz tih razloga ispitivanja bez razaranja su se pokazala veoma ekonomična, brza i tačna,
tako da se u novije vrijeme sve više primjenjuju.
U metode ispitivanje konstrukcija bez razaranja spadaju:
- prodiruće tečnosti-penetranti
- vrtložne struje
- radiografija i gamagrafija
- magnetna metoda
- akustična emisija
- ultrazvučna metoda
U ovom radu detaljno će biti obrađena ultrazvučna metoda kao metoda ispitvanja ab konstrukcija bez
razaranja.
10
2. OSNOVI ULTRAZVUKA I ULTRAZVUČNE DEFEKTOSKOPIJE
Metode defektoskopskih ispitivanja svrstavaju se u dvije grupe metoda kontrole u cilju otkrivanja i
registrovanja unutrašnjih grešaka i nehomogenosti u materijalu i gotovim proizvodima:
Metode radiografije: zasnovane na tehničkoj primjeni rentgenskih - x zraka ili radioaktivnih
- γ zraka.
Fizičke metode: zasnovane na otkrivanju grešaka primjenom magnetnog polja ili ultra-
zvučnih talasa odnosno drugih fizičkih pojava (akustičnih, optičkih i sl.).
Promjena odnosno smanjenje nivoa svojstava konstrukcije, na samoj se građevini uočava kao razne
vrste oštećenja koje će ovisiti o materijalu od kojega je građevina izvedena. Npr. tipična oštećenja
betonskih konstrukcija bit će pukotine, ljuštenje, odlamanje, korozija armature i sl.
a) b) c)
Slika 2.1. Primjeri oštećenja betonskih konstrukcija: a) raspucavanje betona, b) korozija armature c)
korozija čelika za prednapinjanje
Upravo je nedovoljna trajnost građevina gorući problem održavanja konstrukcija, budući da popravak
građevina te ponovno uspostavljanje njihove sigurnosti i upotrebljivosti zahtijeva ulaganje ogromnih
financijskih sredstava.
11
Ovakvo stanje uglavnom je posljedica jednog od, ili češće kombinacije sljedećih faktora:
- nedovoljne pozornosti posvećene pitanju trajnosti u projektu konstrukcije
- nedovoljne pozornosti posvećene pitanju trajnosti tokom izvođenja konstrukcije
- neredovitog održavanja ili njegova potpunog izostanka tokom upotrebe konstrukcije.
2.1 Podjela grešaka u materijalu prema fazi nastajnja
Greške koje se mogu otkriti ispitivanjem bez razaranja u osnovi se mogu podijeliti u tri kategorije,
koje su u vezi sa terminom njihovog nastajanja u toku proizvodnje:
- Greške uslovljene topljenjem upućuju na metalurške procese kod ulivanja tečnog metala u
kalup (početno oblikovanje),
- Greške uslovljene preradom nastaju u različitim fazama proizvodnje, kao što su deformisanje,
sječenje i spajanje,
- Greške uslovljene eksploatacijom, nastale usljed mehaničkih ili korozionih opterećenja za
vrijeme rada uređaja.
Greška je utoliko manje ozbiljna, što se ranije otkrije u toku proizvodnje!
Greška se obično lakše može odstraniti u ranijim fazama proizvodnje, dok se u završnom proizvodu to
možda čak više i ne može izvesti!
2.2 Defektoskopija
Defektoskopija je naučna disciplina koja se bavi iznalaženjem grešaka materijalne homogenosti.
Defektoskopijom se isključivo otkrivaju greške u materijalu kao što su:
- plinski uključci,
- nemetalni uključci,
- lunkeri,
- dvoslojnost,
- pukotine
- i druge greške karakteristične za pojedine postupke obrade.
Materijal koji se podvrgava ispitivanju ne doživljava nikakvo razaranje i defektoskopija se može
ukomponovati u tehnološki proces proizvodnje ili kao završna faza kontrole gotovih proizvoda ili
polufabrikata.
12
2.2.1 Klasifikacije
Kontrola bez razaranja ili defektoskopija uključuje razradu tehnologije grešaka i procjene uticaja
grešaka na kvalitet materijala sastavnih dijelova sistema. Metode kontrole bez razaranja se baziraju na
fizičkim svojstvima materijala koji se ispituje. Osnovne prednosti metoda kontrole bez razaranja su:
- Mogu se sprovoditi direktno na na dijelu ili konstrukciji, nezavisno od cijene iste i bez uticaja
na funkcionalnost,
- Moguće je sprovesti 100% kontrolu,
- Uzorak je reprezentativan,
- Isti objekat može se ispitivati sa više metoda ili ponoviti ispitivanje,
- Može se vršiti kontrola objekta u eksploataciji,
- Mogu se pratiti kumulativni efekti uticaja greške,
- Može se pratiti mehanizam loma djelova sistema,
- Nije potrebna priprema objekta za sprovođenje kontrole osim čišćenja,
- Kontrola se često može sprovesti ne zaustavljajući pogon,
- Oprema za ispitivanje je u principu mobilna (instrumenti za ispitivanje).
Osnovna ograničenja:
- Svojstva objekta (tehničkog sistema) u većini se mjere indirektno,
- Pojedine metode zahtevaju pojačanu zaštitu na radu, interpretacija rezultata kontrole zahtjeva
odgovarajući obučeni kadar.
Razlikujemo 10 osnovnih grupa metoda (postupaka) zasnovanih na fizičkim svojstvima materijala:
1. Zvučne metode,
2. Metode kapilarnosti,
3. Magnetske metode,
4. Optičke metode,
5. Radijacijske metode,
6. Radiotalasne metode,
7. Toplotne metode,
8. Proticajne metode,
9. Električne metode,
10. Elektromagnetske metode.
Unutar svake kontrole postoji niz metoda zavisno od karaktera energetskog polja koje se koristi u
metodi.
13
2.3 Opšte
Korištenje ultrazvučnih oscilacija za defektoskopiju prvi je predložio 1928.godine sovjetski naučnik S.
J. Sokolov. Metode ultrazvučne defektoskopije djele se na dvije osnovne grupe: metoda sjenke i eho
metoda.
U prvom slučaju defekt se otkriva po izmjenjenim parametrima signala koji je prošao kroz kontrolisani
element. U drugom slučaju o prisustvu defekta svjedoči refleksija signala. Pri defektoskopiji i
metodom sjenke, u svojstvu informativnog parametra, koristi se amplituda signala, vrijeme njegovog
rasprostiranja i spektralna karakteristika.
Slika 2.2. Blok-shema defektoskopa zasnovana na metodi sjenke
Pri amplitudnoj varijanti metode sjenke, odašiljački i prijemni selektori postavljaju se u većini
slučajeva u istu liniju na suprotnim stranama kontrolisanog elementa (slika 2.2). Pri tome korištena
elektronska aparatura utvrđuje veličinu signala kroz kontrolisani element. Ako u u elementu na putu
rasprostiranja ultrazvučnih oscilacija postoji defekt u vidu raslojenja ispunjenog vazduhom, ili nekog
drugog, čiji se akustični otpor bitno razlikuje od akustičkog otpora osnovnog materijala elementa, dio
oscilacija će se reflektovati od defekta. Veličina primljenog signala se smanjuje. Slabljenje prodornog
signala, pri nepromjenjenim ostalim uslovima, određeno je veličinom defekta, njegovim položajem i
odnosom akustičkih otpora osnovnog materijala elementa i materijala defekta.
Pri vremenskoj metodi sjenke odašiljački i prijemni ultrazvučni selektori takođe se postavljaju u istu
liniju na suprotnim stranama kontrolisanog elementa. No, za razliku od amplitudne sjenke, u ovom
slučaju elektronska aparatura ne određuje veličinu prodornog ultrazvučnog signala nego vrijeme
14
njegovog prostiranja. Ako na putu prostiranja ultrazvučnih oscilacija postoji defekt, tada ga oscilacija,
zbog difrakcije frekvencija, obilazi. Pri tome, kao rezultat povećanja puta, raste i vrijeme prostiranja
ultrazvuka. Upoređujući vrijeme prolaska oscilacija kroz kontrolisani element sa vremenom njihovog
prolaska kroz analogni bezdefektni uzorak, može se ne samo otkriti defekt, nego i ocjeniti njegova
veličina i položaj.
U procesu defektoskopije generator električnih impulsa 1 sa zadatom frekvencijom ponavljanja
pobuđuje odašiljač 2 (slika 2.2). Odašiljač pretvara električni impuls generatora 1 u ultrazvučne
akustičke oscilacije i šalje ih kroz kontrolisani element. Ultrazvučne oscilacije, prošavši kroz
kontrolisani element, dospjevaju na prijemnik 3, pretvaraju se u električne, i dalje pojačavaju
pojačivačem 4. Sa pojačivača električni signal dolazi na indikator 5. U svojstvu indikatora i
defektoskopa opšte namjene obično se koristi elektronska zračna cijev sa linearno-horizontalnim
širenjem zraka. Impuls oscilacija koji je prošao kroz element određuje se u vidu vertikalnog nabora.
Taj signal sa pojačivača 4 se doprema na vertikalnu ravan ekrana, a na njegovu horizontalnu ravan
doprema se testerasti napon sa generatora 6. Dužina razvlačenja obično se bira tako da signal prolazeći
kroz element bude blizu sredine ekrana. Veličina signala koji prolazi kroz kontrolisani element
procjenjuje se na ekranu. Za mjerenje odnosa signala na ulazu pojačivača 4 može se postaviti
kalibrisani razdjelnik-prigušivač. Mjerač vremenskih intervala 7 omogućuje kontrolu vremena
prostiranja ultrazvučnih oscilacija kroz element i druge vremenske karakteristike signala. Za kontrolu
u automatizovanom režimu, osim opisanih osnovnih djelova, postoje automatski signalizator defekta
(ASD) 8.
Funkcionalna shema eho-defektoskopa u opštem vidu analogna je prikazanoj na slici 2.2 shemi
defektoskopa po metodi sjenke. Pri eho-metodi defektoskopije odašiljač 2 i prijemnik 3 postavljaju se
na istu površinu kontrolisanog elementa. Impulsi ultrazvučnih oscilacija sa odašiljača 2 prostiru se
kroz kontrolisani element i dolaze do suprotne strane, reflektuju se, dolaze na prijemnik 3 i pretvaraju
se iznova u električni signal, koji prolazeći kroz pojačivač, dolazi na ekran.
Proces ultrazvučne defektoskopije karakteriše se nizom parametara, od kojih su osnovni osjetljivost
kontrole, mrtva zona i mogućnost razdvajanja.
Osjetljivost ultrazvučne defektoskopije određuje se veličinom otkrivene greške. Realne greške u
raznim elementima i materijalima razlikuju se jedna od druge po svojim karakteristikama: one imaju
pretežno određenu formu, mogu biti raspoređene po različitim uglom u odnosu na pravac prostiranja
ultrazvučnih oscilacija, posjeduju različita svojstva refleksije.
15
Na otkrivanje grešaka utiče hrapavost površine kontrolisanog elementa, uslovi ispitivanja i drugi
faktori. U vezi s tim, ocjena stvarne razmjere ispoljenih grešaka moguća je samo poslije prikupljanja
većeg statističkog materijala po veličini i karakteru defekata, lociranih u datom tipu elementa. U
današnje vrijeme takvi podaci o građevinskim elementima i konstrukcijama ne postoje.
Osjetljivost defektoskopa i veličina ispoljenog defektoskopa karakteriše se veličinom ekvivalentnog
defekta, koji predstavlja vještački defekt napravljen u uzorku iz materijala analognog materijalu
kontrolisanog elementa i koji pokazuje uticaj na akustički signal kao i ispoljeni defekt. U cilju
podešavanja obično se koristi vještački akustički neprozračni defekt, najpogodnije raspoređen,
tj.postavljen u ravni upravnoj na pravac prostiranja oscilacija.
Zapaženo je da akustički neprozračnom defektu dosta tačno odgovara najviše rasprostranjen tip
prirodnog defekta – raslojavanje, ispunjeno vazduhom. Koeficijent refleksije kod takvog defekta je
praktično jednak jedinici, a koeficijent prolaska – nuli.
U zavisnosti od karaktera i oblika greške, njenog nagiba prema pravcu rasprostiranja oscilacija,
akustičkih karakteristika materijala kontrolisanog elementa, veličina greške i drugih faktora, veličina
koeficijenata otkrivanja se kreće u intervalu 0.1 – 1.0.
Mrtva zona određuje debljinu površinskih slojeva elemenata u kome greška ne može biti otkrivena.
Postojanje mrtve zone svojstveno je samo eho-metodi defektoskopije i to je njen osnovni nedostatak.
Mogućnost razdvajanja karekteriše minimalno rastojanje između dvije uzastopno raspoređene greške
pri kome se one registruju odvojeno. Postoji radijalno (po dubini) i frontalno razdvajanje. Mogucnosti
radijalnog razdvajanja određena je minimalnom razlikom po dubini raspoređene dvije susjedne greške
koje se preklapaju, pri kojoj je još moguće njihovo odvojeno registrovanje.
Defektoskopija po metodi sjenke ne omogućuje odvojeno određivanje susjednih preklapajućih
defekata, nezavisno od njihove razdaljine po dubini, niti je moguće izmjeriti rastojanje do defekta.
Odvojeno određivanje dva djelomično preklapajuća susjedna defekta je preimućstvo eho-metode
defektoskopije. Mogućnost frontalnog razdvajanja karekteriše minimalno rastojanje između dvije
greške raspoređene na istoj dubini, pri kome se one registruju odvojeno.
16
2.4 Ultrazvučne metode
Pomoću ovih metoda se otkrivaju defekti i homogenosti materijala. Njima se mogu provjeriti predmeti
debljine zidova od 0.5 – 300mm i otkriti pukotine duge 0.4 mm i široke 0.001mm. Ultrazvuk je pojava
oscilacija gustoće čije su učestalosti toliko visoke da ih čulo sluha čovjeka više ne može osjetiti.
Granica na kojoj se završava područje zvuka je frekvencija od 20 KHz. Frekvencija koja se koristi za
ultrazvučno ispitivanje je između 0,5 i 15 MHz ovisno o materijalu koji se ispituje. Frekvencije
između 1 i 3 MHz su pogodne za ispitivanje čelika.
Slika 2.3. Princip rada ultrazvuka
Ultrazvučne glave rade na principu bilo magnetostrikcije ili pijezoelektričnog efekta. Magnetostrikcija
je pojava da neki materijali (npr.meko željezo) u prisustvu promjenljivog magnetnog polja mijenjaju
dimenzije. Pijezoelektrični efekat se zasniva na činjenici da izvjesni kristali (npr. kvarc) se
dimenziono mijenjaju kada električna struja protiče kroz njih.
17
Ultrazvučne glave moraju biti u bliskom kontaktu sa površinom uzorka, u protivnom će se pojaviti
lažni eho. Kontakt se ostvaruje stavljanjem uljnog filma između ultrazvučne glave i površine uzorka,
tako da između ne postoji vazdušni međuprostor.
Upotreba jedne ultrazvučne glave za emitovanje i prijem će otkriti većinu slučajno orijentisanih
grešaka, međutim mogu se propustiti tanke i duge greške čija je osa paralelna sa putem ultrazvučnog
talasa. Da bi se prevazišao ovaj problem koristi se složenija tehnika sa odvojenim ultrazvučnim
glavama za emitovanje i prijem.
Slika 2.4. a) uzorak sa jednom UZ glavom, b) uzorak sa dvije UZ glave
Dobre strane ultrazvučnog ispitivanja su:
- Velika osjetljivost,
- Velika moć prodiranja u homogenim materijalima,
- Tačnost u mjerenju položaja i veličine greške,
- Brzina ispitivanja,
- Mogućnost ispitivanja na osnovu pristupa samo jednoj površini ispitivanog komada.
Kao što je već navedeno ultrazvučna metoda je metoda ispitivanja bez razaranja kod koje se zrake
zvuka visoke frekvencije emituju u materijal s ciljem otkrivanja površinskih i dubinskih grešaka.
Zvučni talasi prodiru u materijal i odbijaju se od prelaznih površina. Stepen refleksije uglavnom zavisi
od fizičkog stanja materijala na prelazu, a manje od osobina materijala. Zvučni signali se skoro
potpuno reflektuju od prelaza metal/gas. Parcijalna refleksija se javlja na prelazima metal/tečnost ili
metal/čvrsta tijela.
Ultrazvukom se otkrivaju pukotine, odvajanje laminata, lunkeri, pore, nemetalni uključci i druge
nehomogenosti. Većina UZ uređaja otkriva greške praćenjem jedne od sljedećih veličina:
18
- Refleksija zvuka od prelaznih površina ili diskontinuiteta u metalu
- Vrijeme prolaza zvučnog talasa od ulaza do izlaza
- Slabljenje zvučnih talasa apsorpcijom ili rasipanjem unutar ispitivanog objekta
- Karakteristike spektralnog odziva emitovanog ili reflektovanog signala
Većina UZ uređaja radi na frekvencijama od 0,1 do 25 MHz. Ljudsko uho registruje zvuk od 20 Hz do
20 kHz.
20Hz 20kHz 2MHz 200MHz
Infrazvuk Zvuk Ultrazvuk
Slika 2.5. Intervali infrazvuka, zvuka i ultrazvuka
2.5 Teorijski modeli za procjenu svojstava očvrsnulog betona
Beton kao kompozitni materijal ima izrazito heterogena svojstva. Varijacije u čvrstoći, modulu
elastičnosti i u svim ostalim svojstvima potrebno je promatrati preko udjela pojedinih komponenata
betona u ukupnom volumenu. Procjena modula elastičnosti betona moguća je pomoću dvofaznih
modela koji se sastoje od cementnog kamena i agregata odnosno mortne matrice i zrna krupnog
agregata. Pri tome je potrebno poznavati njihove module elastičnosti te udio agregata u volumenu
betona.
Razlikujemo nekoliko osnovnih modela koji beton prikazuju kao dvofazni kompozit sastavljen od
agregata i cementne paste ili krupnog agregata i morta. Npr., to su Voigtov i Reussov model koji
pretpostavljaju jednoliku deformaciju odnosno jednoliko naprezanje dviju faza u betonu, te ih
promatraju u paralelnoj odnosno serijskoj konfiguraciji. Hirschov model elastičnog ponašanja
kompozitnih materijala uvodi empirijsku konstantu x koja označava relativni udio paralelnog odnosno
serijskog modela, a upotrebljava se za istraživanje veze između cementne paste i agregata.
Hansenov se model sastoji od sferičnog agregata smještenog u centar sferične matrice, a sličan je i
Countov model kod kojega je prizma agregata smještena u centar prizme matrice. Niti jedan od
navedenih modela ne uzima u obzir utjecaj šupljina i pukotina u betonu, promjenu stanja faza (npr.
zbog zamrzavanja vode u betonu), specifične geometrijske značajke faza, međusobno djelovanje pora i
19
agregata pod različitim uvjetima opterećenja i utjecaj oblika zrna agregata koji je jako važan u slučaju
različitih modula elastičnosti. Iz tog su razloga pojedini autori (Nielsen, Monteiro) predložili model s
tri faze, odnosno uveli su u model i prijelaznu zonu u betonu - zonu sučeljka.
Hashin i Monteiro razvili su matematički model koji se temelji na pretpostavci da je beton kompozit
koji se sastoji od matrice u koju su ugrađeni sferični dijelovi, svaki okružen s koncentričnom
sferičnom ljuskom – tzv. interfazom. Pojedini sofisticirani modeli (npr. Mori – Tanaka) uzimaju u
obzir i utjecaj pora i pukotina u betonu. Prema tome, svojstva betona u očvrsnulom stanju ovise o više
različitih parametara, ne samo o udjelu komponenata u sastavu betona, već i o uvjetima ugradnje,
njege te izloženosti betonskog elementa utjecajima iz okoline. Procjena svojstava očvrsnulog betona
te njihovo ispitivanje nerazornim metodama u konstrukciji osobito je otežano ako se radi o posebnim
vrstama betona, kao što su, npr., polimerom modificirani betoni.
2.5.1 Polimerom modificirani betoni (PMB)
Obični beton omogućava prolaz vlage, kisika i klorida do armature zbog čega dolazi do korozije. Do
propusnosti betona dolazi zbog mikropukotina i mikropora koje nastaju tijekom hidratacije cementa.
Osnovni je razlog za primjenu polimerom modificiranih betona u građevinarstvu poboljšanje adhezije
i vodonepropusnosti, a istodobno se poboljšava zaštita armature od korozij. Ovi se betoni vrlo često
primjenjuju i pri sanacijskim radovima za popravljanje oštećenih dijelova betona, za izravnavanje
podova i za poboljšanje veze između starog i novog betona. Dodavanjem polimerne disperzije svježem
se betonu poboljšava obradljivost (kohezija, kut močenja na podlogu, zagladivost), a u očvrsnulom
stanju prionljivost (adhezija) na podlogu, povećava se nepropusnost za fluide, istezljivost, smanjuje se
modul elastičnosti, a povećava koeficijent puzanja, povećava se otpornost na udar, otpor prolasku
agresivnih tvari i otpornost na djelovanje zamrzavanja i odmrzavanja i soli za odleđivanje.
Najčešće se za izradu takvih betona kao polimerna disperzija upotrebljava lateks. Lateksi se proizvode
polimerizacijom monomera, pri čemu se izdvaja voda. Na taj način nastaje disperzija polimernih
čestica u vodi. Prosječna veličina čestica varira od 0,05 do 2 μm. Dodatnom obradom mogu se
proizvesti u praškastom obliku, ali to znatno poskupljuje proizvod. Kao modifikatori svojstava koriste
se:
- stiren-butadijenski kopolimeri
- akrilno-esterni homopolimeri i kopolimeri
- vinil-acetatni kopolimeri
- vinil-acetatni homopolimeri.
Izmjenom svojstava betona lateksom poboljšavaju se njegova svojstva na dva načina. Matrica lateksa
smanjuje stupanj kretanja vlage blokiranjem "putova", a nakon formiranja mikropukotina u
20
cementnom kamenu, polimerni film premošćuje te pukotine i sprečava njihovo širenje. Time se
povećavaju vlačna čvrstoća i žilavost betona. Radi sprečavanja kretanja vlage, ograničeno je
prodiranje fluida iz okoline u očvrsnuli beton, pa se povećava kemijska otpornost i otpornost na
djelovanje ciklusa zamrzavanja i odmrzavanja.
Upotreba stiren-butadijenskog lateksa (SB lateks) u polimerom modificiranom betonu rezultira
smanjenjem potrebe za vodom u betonu za postizanje potrebne konzistencije. Povećava se tečenje
betona i obradljivost mješavine bez dodatne vode. Prema tome, odabir količine lateksa utjecat će na
svojstva očvrsnulog betona na dva načina:
1. količinom upotrijebljenog lateks
2. smanjenjem količine vode za istu konzistenciju.
Struktura je PMB-a takva da su mikropore i šupljine koje se javljaju u portlandsko-cementnom sustavu
djelomično ispunjene polimernim filmom koji se formira tokom njege. Zbog toga je smanjena
propusnost betona i apsorpcija vode (slika 2.6.).
a) b)
Slika 2.6. Mikroskopska slika a) lateksom modificiranog i b) običnog
betona
Zbog mogućnosti smanjenja prodora vode koja sadrži kloridne ione, stiren-butadijenski lateks ima
najveću primjenu kod mostova, parkirališta i garaža kod kojih može doći do korozije armature i
oštećenja betona. Ova se vrsta lateksa uglavnom koristi kada se zahtijeva dobra adhezija te
vodonepropusnost. Osim poboljšavanja hemijske otpornosti i adhezije, stiren-butadijenski lateks služi
kao sredstvo za smanjenje količine vode u sastavu betonske mješavine, a ta karakteristika pridonosi
poboljšanim svojstvima betona, uz potrebnu obradljivost radi mogućnosti ugrađivanja.
21
2.5.2 Nerazorne metode ispitivanja
Nerazorne se metode ispitivanja uglavnom koriste za kontrolu kvalitete proizvodnje betona ili kontrolu
kvalitete betona na građevini, a vrlo često i za ocjenu stanja postojećih konstrukcija te ocjenu
uspješnosti izvedenih sanacijskih radova. Općenito, primjenom nerazornih metoda nije moguće
izravno dobiti podatke o čvrstoći materijala, već je za pravilnu procjenu čvrstoće potrebno poznavati
vezu između rezultata ispitivanja nerazornim metodama i tlačne čvrstoće određene razornim
ispitivanjem (baždarenje).
Iako su razvijene mnogobrojne nerazorne metode za ispitivanje betona, najčešće se koriste ispitivanja
sklerometrom i ultrazvukom, osobito ako je potrebno optimizirati sredstva i raspoloživu tehnologiju
ispitivanja.
Kombiniranjem spomenutih metoda smanjuje se pogreška koja se pojavljuje pri procjeni čvrstoće
betona samo jednom metodom koja nikako nije dovoljna za određivanje traženog parametra. S
obzirom da se u današnje vrijeme za popravak armiranobetonskih konstrukcija često primjenjuju
polimerom modificirani betoni, pojavila se potreba za izradom baždarnih krivulja pri ispitivanju
sklerometrom ili ultrazvukom kod takvih posebnih vrsta betona.
Tlačna čvrstoća betona izračunata prema regresijskim modelima raznih autora za izmjereni indeks
sklerometra i brzinu prolaska ultrazvučnog impulsa najbolje pokazuje koliki je utjecaj dodavanja
polimera na izlazne rezultate.
2.5.3 Određivanje dinamičkog modula elastičnosti ultrazvučnom metodom
Dinamički modul elastičnosti može se izmjeriti ultrazvučnom metodom. Metoda se temelji na
mjerenju vremena prolaska longitudinalnih ultrazvučnih valova kroz uzorak betona (izravnim
postupkom) od sonde odašiljača do sonde prijamnika (slika 2.7.).
Vremenski interval od trenutka kada impuls napušta prvu sondu pa do trenutka prijama impulsa u
drugu sondu jest vrijeme prolaska impulsa (t) kroz uzorak betona dužine (l).
22
Slika 2.7. Princip mjerenja ultrazvukom
Kao što je već navedeno brzina ultrazvuka dana je izrazom:
(2.1)
Poznavajući brzinu ultrazvuka v (m/s) izmjerenu izravnim prolazom kroz beton, gustoću betona ρ
(kg/m3) i Poissonov omjer υ za beton, dinamički modul elastičnosti može se proračunati iz izraza:
(2.2)
2.5.4 Ispitivanje tlačne čvrstoće betona sklerometrom
Nerazorna metoda ispitivanja sklerometrom (slika 2.8.) vrlo se često primjenjuje za određivanje tlačne
čvrstoće betona u konstrukcijama. Princip mjerenja sklerometrom sastoji se u tome da uteg
sklerometra mase m određenom brzinom v udara površinu betona s kinetičkom energijom Ekin = mv2/2.
Pri udaru u materijal nastaje plastična deformacija te pri tome uteg sklerometra predaje dio energije.
Što je plastična deformacija veća, gubitak energije je veći.
23
Taj se gubitak očituje kao pretvorba kinetičke energije u toplinsku. S pomoću vrijednosti odskoka
mase, moguće je odrediti brzinu nakon sudara. Udaljenost koju prevali masa izražena kao postotak
početnog produženja opruge u sklerometru naziva se indeksom sklerometra.
Ovisnost čvrstoće betona i indeksa sklerometra nije linearna, ali je empirijski moguće odrediti
korelaciju tih parametara. Za obične betone poznata je korelacija indeksa sklerometra i tlačne čvrstoće
betona koja je prikazana baždarnim krivuljama za svaki tip sklerometra.
Slika 2.8. Sklerometar
2.6 Eksperimentalni dio
U svrhu utvrđivanja utjecaja svojstava polimerom modificiranih betona na rezultate ispitivanja
čvrstoće nerazornim metodama, izrađene su betonske mješavine koje obuhvaćaju široki raspon
čvrstoća i time omogućavaju kalibriranje rezultata ispitivanja tlačne čvrstoće dobivenih sklerometrom
i ultrazvukom. Varirana je i količina polimera, te su osigurane pretpostavke za razvoj modela na
čitavom nizu podataka o betonskim mješavinama. Osim na svojstva očvrsnulog, stiren-butadijenski
lateks djeluje i na svojstva svježeg betona (poboljšana ugradljivost), čime su stvorene pretpostavke za
razumijevanje mogućih varijacija u čvrstoći.
2.6.1 Sastavi betonskih mješavina
Varirani su sljedeći parametri sastava betona (tablica 2.1.):
1. cement: 320 kg/m3 i 400 kg/m3
24
2. udio polimera (lateks SB-50 sa 50 % suhe tvari): 0.5 i 10 % na masu cementa
3. v/c omjer: 0.5; 0.45; 0.55; 0.65
4. maksimalno zrno agregata: 8 mm i 16 mm
Tablica 2.1. Pregled odabranih sastava betonskih mješavina
v/c
c = 320 kg/m3 betona c = 400 kg/m3 betona
udio polimera (%) udio polimera (%)
O,35 - 5 10 0 5 10
0,45 0 5 10 - 5 10
0,55 - 5* 10 0* 5* 10
0,65 0* 5* 10 - 5* 10
* mješavine su prosijane na situ 8 mm i od njih su izrađeni uzorci oblika kocke brifa 15 cm (zbog
vremena potrebnog za prosijavanje, u mješavine se dodaje usporivač vezivanja 0,25 % mc)
U tablici 2. prikazani su fizikalni parametri i udjeli pojedinih frakcija agregata u betonskim
mješavinama.
Tablica 2.2. Volumenska gustoća, apsorpcija i udio pojedine frakcije agregata
ρ (g/cm3) A (% m) udio (%)
0-4 mm 2,69 1,30 48
4-8 mm 2,68 1,80 17
8-16 mm 2,69 1,40
Za izradu betona upotrijebljen je cement CEM II/BM( S-V) 42.5 N.
- gustoća cementa 3.06 g/cm3
- normirana konzistencija 26.8 %
- vrijeme vezivanja: početak 173 minute; kraj 235 minuta
- tlačna čvrstoća: 3 dana – 27.5 N/mm2; 28 dana – 51.3 N/mm2
- čvrstoća na savijanje: 3 dana – 5.3 N/mm2; 28 dana – 8.2 N/mm2
25
2.6.2 Analiza rezultata ispitivanja
Rezultati ispitanih svojstava očvrsnulog betona prikazani su na slici 2.9. i u tablicama 2.3. i 2.4.
Slika 2.9. Određivanje statičkog modula elastičnosti
Tablica 2.3. Rezultati ispitivanja statičkog i dinamičkog modula elastičnosti betona (Dmax =16 mm)
v/c Udio polimera (%)
mce
m =
320
kg/
m3
Est (GPa) Edin(GPa)
mce
m =
400
kg/
m3
Est (GPa) Edin(GPa)
0.35 0 - - 28.1 49.3
0.45 0 27.5 43.5 - -
0.55 0 - - 28.4 45.3
0.65 0 27.6 45.1 - -
0.35 5 30.4 44.5 28.2 46
0.45 5 31.0 39.5 25.8 39.8
0.55 5 29.5 36.9 26.4 39.1
0.65 5 28.5 35.6 25.6 37.2
0.35 10 28.9 39.6 27.2 40.3
0.45 10 28.1 35.45 25.2 37.5
26
0.55 10 26.8 33.8 24.1 34.4
0.65 10 25.9 31.0 23.9 34.0
Ispitivana su sljedeća svojstva očvrsnulog betona: tlačna čvrstoća (fc), vlačna čvrstoća savijanjem (fb),
statički modul elastičnosti (Est) (slika 2.9.), dok je dinamički modul elastičnosti (Edin) proračunat iz
rezultata mjerenja prolaska ultrazvučnog impulsa kroz beton (slika 2.10.). Također je mjeren i indeks
sklerometra na uzorcima na kojima je ispitivana tlačna čvrstoća. Režim njege uzoraka u potpunosti je
identičan za sve mješavine.
Slika 2.10. Određivanje dinamičkog modula elastičnosti
Iz rezultata ispitivanja tlačne čvrstoće uočeno je da mješavine betona s maksimalnim zrnom agregata
veličine 8 mm (tablica 2.4.) imaju vrijednosti tlačne čvrstoće povećane do približno 10 % u usporedbi
s mješavinama istog sastava, ali s maksimalnim zrnom 16 mm (slika 2.11.). To se objašnjava
činjenicom da je kod manjeg promjera zrna omogućeno bolje "pakiranje" strukture, a isto tako je
manja vjerojatnost pojave defektnih zrna. Vidljivo je da se povećanjem količine polimera povećava i
čvrstoća betona na savijanje.
27
Slika 2.11. Rezultati ispitivanja tlačne čvrstoće betona (Dmax=16 mm)
Modul elastičnosti betona općenito se smanjuje s povećanjem količine polimera. Usporedbom
rezultata ispitivanja modula elastičnosti mortne matrice (prosijani beton) uočavaju se manje
vrijednosti od modula elastičnosti betona istog sastava, što se može objasniti utjecajem agregata.
Naime, kako agregat ima veći modul elastičnosti od cementne paste, očito je da manji udio zrna
agregata rezultira i manjim modulom elastičnosti.
28
Slika 2.12. Rezultati ispitivanja tlačne čvrstoće betona savijanjem(Dmax=16 mm)
Uz jednaki v/c omjer, dinamički modul elastičnosti smanjuje se s povećanjem količine polimera.
Vrijednost dinamičkog modula elastičnosti kod betona izrađenih s 400 kg cementa veća je nego kod
betona s 320 kg cementa. Smanjenjem maksimalnog zrna agregata, za isti sastav betona smanjuje se
dinamički modul elastičnosti.
29
Tablica 2.4. Rezultati ispitivanja mehaničkih karakteristika mortne matrice (prosijani beton)
Udio
cementa
(kg/m3)
Odnos vode
i cementa
v/c
Udio
polimera
(%)
fc
(N/mm2)
ft
(N/mm2)
Est
(GPa)
Edin
(GPa)
320
0.55 5 29.13 3.0 26.37 35.14
0.65 5 26.61 3.2 20.40 31.84
0.65 0 33.39 3.8 26.19 38.09
400
0.55 5 31.21 5.2 25.16 37.20
0.65 5 34.36 4.8 23.25 35.42
0.55 0 40.77 3.3 27.06 39.94
Vezano za rezultate prikazane u dijagramima na slici 6. i u tablicama 3. i 4., vidi se da je dinamički
modul elastičnosti manji kod uzoraka mortne matrice iako im je tlačna čvrstoća veća nego kod
betonskih uzoraka. Ukupni se volumenski udio agregata kod uzoraka mortne matrice smanjuje, što
rezultira manjom brzinom ultrazvučnog impulsa, odnosno manjim dinamičkim modulom elastičnosti.
Manje zrno agregata omogućuje kvalitetnije pakiranje zrna, što povećava tlačnu čvrstoću.
Na slici 7. prikazani su rezultati ispitivanja sklerometrom na betonima izrađenim s 320 kg /m3 i 400
kg/m3 cementa. Za betone koji su izrađeni s dodatkom polimera, krivulja za određivanje tlačne
čvrstoće translatirana je udesno i prema dolje. Iz toga slijedi da je za istu veličinu tlačne čvrstoće na
PM betonima potreban veći indeks sklerometra.
Iz prikazanih se rezultata može zaključiti da se indeks sklerometra ne smanjuje proporcionalno s
količinom dodanog polimera. Kako polimerni dodatak ujedno smanjuje i tlačnu čvrstoću za nekoliko
postotaka, translaciju krivulje ne može se tumačiti isključivo kao smanjenje indeksa sklerometra.
30
Slika 2.12. Rezultati ispitivanja indeksa sklerometra za betone s 320 kg/m3 cementa (lijevo) i 400
kg/m3 cementa (desno)
31
Slika 2.13. Ovisnost tlačne čvrstoće i indeksa sklerometra betona i mortne matrice za betone s 320
kg/m3 cementa i 5 % polimera (lijevo) i zabetone s 400 kg/m3
cementa i 5 % polimera (desno)
Smanjenje maksimalnog zrna sa 16 na 8 mm ne utječe na vrijednost indeksa sklerometra u istoj mjeri
koliko utječe na povećanje tlačne čvrstoće (slika 2.13.). Zbog toga dolazi do translacije krivulja za
određivanje tlačne čvrstoće prema gore. Kako se za pripremu betona velikih čvrstoća najviše koriste
agregati s maksimalnim zrnom 8 mm, to potvrđuje rezultate pokusa. Vrlo je vjerojatno da bi
upotrebom zrna maksimalnog promjera 4 mm ili manje došlo do smanjenja indeksa sklerometra.
2.7 Varijable
Osnovne varijable koje treba uzeti u obzir kod ultrzvučnih ispitivanja su karakteristike ultrazvučnih
talasa i karakteristike dijelova koji se ispituju. Od tih varijabli zavisi izbor opreme. U osnovnu opremu
spada:
- Elektronski generator signala
- Sonda koja emituje snop UZ talasa
- Kuplant za transfer energije iz sonde
- Kuplant za transfer energije u sondu
- Sonda za prihvatanje odbijenih UZ talasa
- Pojačalo / demodulator
- Displej ili indikator
- Elektronski referentni sat
Promjenjive kod ultrazvučnih ispitivanja su:
32
- Frekvencija ultrazvučnih talasa: treba naći kompromis između pozitivnih i negativnih efekata
izabrane frekvencije. Visoke frekvencije: veća osjetljivost, veća rezolucija, manja penetracija
kod nehomogenih metala (sa većim zrnom)
- Akustična impedanca kombinacije dva materijala je karakteristika koja određuje stepen
refleksije; ako imaju istu impedancu, nema refleksije. Jedinica: g/cm2·s
- Ugao nagiba: Kad snop UZ talasa pada okomito na grešku, ugao nagiba je 0° - refleksija ne
mijenja pravac snopa. Kad ugao nagiba nije 0°, dolazi do promjene prirode kretanja talasa i do
prelamanja
- Intenzitet snopa je energija koja se emituje po poprečnom presjeku snopa, a zavisi od
amplitude vibracija čestica. Obično se koristi termin akustični pritisak (zvučni pritisak) da
označi amplitudu naprezanja koja izaziva UZ talas u materijalu. Akustični pritisak je
proporcionalan kvadratu akustičnog pritiska
- Apsorpcija ultrazvučne energije se javlja uglavnom konverzijom mehaničke energije u
toplotu
- Rasipanje ultrazvučnog talasa se javlja zato što većina materijala nije homogena. Rasipanje
se javlja i kod anizotropnih materijala, kod kojih brzina prostiranja talasa nije ista u različitim
pravcima
- Širenje snopa se javlja na većoj udaljenosti od sonde. Ugao širenja zavisi od talasne dužine
talasa i prečnika sonde
- Slabljenje ultrazvučnog snopa zavisi od početnog akustičnog pritiska, dubine dijela koji se
ispituje i od koeficijenta slabljenja (dB/mm)
2.8 Metode ispitivanja
33
Dvije osnovne odnosno najčešće primjenjivane metode su metoda transmisije i "puls-eho" metoda.
Kod metode transmisije mjeri se samo slabljenje signala dok kod puls-eho metode mjeri se i vrijeme
prolaza i slabljenje signala.
Slika 2.15. Ispitivanje materijala ultrazvukom
Puls-eho metoda se koristi kod lociranja grešaka i mjerenja debljine. Dubina greške se određuje
vremenom od početnog impulsa i eha koji proizvede greška. Veličina greške se određuje poređenjem
amplitude signala reflektovanog zvuka sa referentnom amplitudom (od poznate veličine).
Rezultati puls-eho ispitivanja se mogu prikazati na razne načine:
1. A-scan: kvantitativni prikaz amplituda signala i vremena putovanja signala dobijenih na
jednoj tački površine
2. B-scan: rezultati duž linije
34
3. C-scan: rezultati po površini
2.9 Ultrazvuk – metoda određivanja defekata
Ispitivanje ultrazvukom zasniva se na pronalaženju i određivanju lokacije defekta u materijalu, koji se
nalaze na dubini od 1 do 2000 mm kod metalnih i nemetalnih materijala, pomoću propuštanja
ultrazvučni talasa kroz materijal.
Ultrazvuk je tako materijalno treperenje sredine čija je učestalost veća od 20000 Hz, pa omogućuje
njegovo prodiranje u materijal. Prostiranje ultrazvuka kroz materijal praćeno je izvjesnim rasipanjem,
zbog čega nastaje razlika između količine ulaznih i izlaznih ultrazvučnih talasa, što se prati na
odgovarajućem osciloskopu uređaja.
Kod ultrazvučnih defektoskopa najviše se koristi za dobijanje ultrazvučnih talasa pijezoelektrični
efekat. Pri tome se korištenjem pijezokristala vrši pretvaranje električne energije u mehaničku
učestalost od 500-1000 MHz. Za ispitivanje materijala koriste se uglavnom frekvence 1-6 MHz.
Za stvaranje ultrazvučnih talasa koriste se ultrazvučne glave u kojima pijezokristal usmjerava talase u
ispitivani materijal. Prema obliku ispitivanog materijala "glave" su oblikovane, tako da stvaraju
podužne, poprečne i površinske talase.
Način otkrivanja grešaka u materijalu zasniva se na tonskim, impulsnim-eho i rezonantnim metodama,
koje u suštini registruju na odgovarajući način ulazne i izlazne talase - "signale". Prolaskom kroz
homogeni materijal, npr. kod tonskih metoda visina tona zvuka je ujednačena a pri nailasku na grešku
dolazi do njegove promjene.
35
Slika 2.16. Ekran uređaja sa lokacijom greške
Slika 2.17. Određivanje grešaka impulsno-eho metodom
Kod impulsnih-eho metoda prolaz ultrazvučnih talasa kroz materijal (odnosno, pri njihovom nailasku
na grešku), zasnovan je na istom principu kao i kod impulsnih uređaja, sa tom razlikom što se signali -
ulazni i izlazni - uočavaju na ekranu u vidu svjetlosnih signala. Signal greške nalazi se između ulaznog
i izlaznog signala na odstojanju koje je proporcionalno dubini lokacije greške.
36
Slika 2.18. Prikaz određivanja dubine grešaka impulsno-eho metodom
Ultrazvučne metode se koriste takodje i za mjerenje debljine zidova koji nisu pristupačni sa obje
strane do debljine 23 mm sa tačnošću 0.01 mm.
Slika 2.19. Uređaj za ultrazvučnu kontrolu i određivanje grešaka
37
Slika 2.20. Prikaz stepenaste ploče za ispitivanje debljine ultrazvučnom metodom
2.9.1 Modul elastičnosti cementnog materijala
Statički modul elastičnosti cementnog materijala dobiva se ispitivanjem uzorka oblika prizme
(a:h=1:3) ili valjka (d:h=1:3). Uzorak se opterećuje na pritisak u smjeru dulje osi, a deformacije se
mjere u srednjoj trećini, za koju se uzima, da su naprezanja uniformna (monoaksijalna). Sile (F) i
odgovarajuće promjene duljine (Δl) se očitavaju nakon svakog ciklusa povećanja opterećenja, a
naprezanja (σ) i relativne deformacije (ε) se dobiju dijeljenjem s površinom odnosno mjernom
duljinom.
Slika 2.21. Radni dijagram cementnih uzoraka opterećenih na pritisak: a) beton manje čvrstoće, b)
beton velike čvrstoće
38
Radni dijagram je uvijek malo zakrivljena linija, tako da je modul elastičnosti (Eo) samo aproksimacija
stvarnog ponašanja betona. Nelinearnost je utoliko veća, ukoliko se opterećenje sporije nanosi, te
ukoliko se naprezanje više povećava. To je najvećim dijelom posljedica puzanja betona. Za betone
većih čvrstoća modul elastičnosti je veći, a radni dijagram se bliži pravocrtnom (Slika2.21.). Također,
ukoliko se primijeni veći broj ciklusa rasterećenja/opterećenja radni dijagram se približava
pravocrtnom ("treniranje uzorka"), jer dolazi do konsolidacije u strukturi betona. Na prvoj krivulji
radnog dijagrama mogu se odrediti tri vrste statičkog modula elastičnosti: početni, koji je najveći,
sekantni i tangentni.
Za praksu je važno odrediti modul elastičnosti na radnom dijagramu nakon što se ovaj stabilizirao
treniranjem uzorka (početno pred-opterećenje od 10% od čvrstoće do naprezanja jednakog približno
40% od čvrstoće uzorka). Početno naprezanje od 10% nanosi se prije početka mjerenja, da se izbjegnu
početne neravnomjernosti u mjerenju deformacija, koje su posljedica neravnosti kontaktnih ploha.
Ako materijal opteretimo na pritisak u smjeru osi y (Slika 2.22.) tada je Poissonov omjer
(2.3)
gdje je εx - transverzalna deformacija (negativno za aksijalno vlačno naprezanje, pozitivno za
aksijalno tlačno naprezanje)
εy – aksijalna deformacija (pozitivna za aksijalno vlačno naprezanje, negativna za
aksijalno tlačno naprezanje).
Slika 2.22. Pravokutni uzorak opterećen na pritisak, Poissonov omjer μ ~ 0,5 (guma)
39
Za hidratiziranu cementnu pastu Poissonov omjer se malo mijenja s promjenom vodo-cementnog
omjera, a smanjuje se sa smanjenjem vlažnosti. Za vlažnu hidratiziranu cementnu pastu približno je
0,25, a za suhi oko 0,15. Za linijske elemente betonskih konstrukcija Poissonov omjer se ne uzima u
obzir pri proračunu. Kod plošnih i prostornih elemenata uzima se prosječna vrijednost 0,20.
Dinamički modul elastičnosti smicanja, stlačivosti i poissonov omjer (μ) dobiva se mjerenjem brzine
prolaza ultrazvuka kroz beton ili mjerenjem rezonantne frekvencije normiranog uzorka betona.
Potrebno je napomenuti da su samo dva (od gore navedena četiri svojstva) neovisna, a preostala se
mogu izračunati kada su ova dva poznata, vidi jed. (2.3).
2.9.2 Metode ultrazvučne karakterizacije materijala
Upotreba ultrazvuka je vrlo raširena, a pri ispitivanju materijala ta se metoda koristi za:
- karakterizaciju svojstava (procjena tlačnih čvrstoća, gustoća, modul elastičnosti, poroznost)
- pronalaženje defekata u materijalu.
40
Slika 2.23. Ispitivanje ploče ultrazvukom
Dvije osnovne vrste valova su:
- longitudinalni val (L-val): čestice titraju u smjeru širenja vala (zgusnuća i razrjeđenja u
sredstvu u kojem se širi)
- transverzalni val (T-val), čestice titraju okomito na smjer širenja vala.
Postoji mnogo vrsta valova koji nastaju kombinacijom longitudinalnog i transverzalnog titranja. Na
površinu betona, na određenoj udaljenosti (L) postave se generator ultrazvučnog impulsa i prijemnik
(Slika 2.23.). Iz izmjerene udaljenosti i vremena prolaza izračuna se brzina (v, km/s). Onda je
dinamički modul elastičnosti [GPa]:
(2.4)
gdje je ρ gustoća uzorka [g cm-3], a koeficijent K iznosi:
(2.5)
a Poissonov omjer se računa prema jed. (2.5):
41
(2.6)
Dinamički modul smičnosti se računa prema jed. (2.6)
(2.7)
Dinamički modul stlačivosti glasi:
(2.8)
Glavna prednost ove metode je u tome, što je nerazorna, brza i daje podatke o svojstvu betona po
dubini. Prikladna je također za identifikaciju defekata (defektoskopija) u betonu (pukotine,
segregacije), kao i određivanje njihovih dimenzija. Nadalje, mjerenje brzine prolaza ultrazvuka
omogućuje praćenje promjene svojstava cementnog materijala tijekom vremena hidratacije ili
korozivnih i drugih štetnih utjecaja.
Ultrazvučni uređaj (Slika 2.24.) sastoji se od:
a) ultrazvučnih sondi (odašilju i primaju ultrazvučne valove),
b) elektroničkog uređaja (omogućuje napajanje, pobuđuje sondu električnim impulsima, pojačava ih i
sinkronizira) i
c) elektronskih sklopova (rezultati odašiljanja i prijema ultrazvuka prikazuju se u prikladnom obliku).
42
Slika 2.24. Mjerenje ultrazvučnim uređajem TICO Proceq Testing Instruments (El. uređaj: mjerno
područje ~15-6550 μs, rezolucija 0,1 μs, naponski puls 1 kV, Brzina ponavljanja pulsa 3 s-1, Ulazna
impedancija 1 MΩ; Ultrazvučne sonde: f=54 kHz)
I na kraju ovog poglavlja navesti ćemo neke prednosti i nedostatke ultrazvučne metode ispitivanja. U
prednosti spadaju:
1. Jako dobra snaga prodiranja u dubinu materijala (nekoliko metara)
2. Visoka osjetljivost na male greške
3. Velika preciznost otkrivanja lokacije, veličine, orijentacije, oblika greške
4. Dovoljno je da jedna površina bude dostupna
5. Signal se lako obrađuje elektronski
6. Mogućnost skeniranja po zapremini
7. Nema opasnosti po osoblje, opremu i materijale u okolini
8. Portabilnost (prenosivost)
9. Generiše izlaz koji se lako obrađuje računarom
Nedostaci ove metode su:
1. Manuelni način rada zahtijeva iskustvo i veliku pažnju
2. Za razvoj procedura ispitivanja je potrebno veliko tehničko znanje
3. Teško je ispitivati tanke dijelove, nepravilne oblike, hrapave površine
4. Teško se otkrivaju defekti koji su neposredno ispod površine
5. Potrebni su kuplanti i referentni Standard
43
3. PRIMJENA ULTRAZVUČNE DEFEKTOSKOPIJE U ISPITIVANJU ARMIRANOBETONSKIH KONSTRUKCIJA
3.1. Historija objekta
Objekt multimedijalnog karaktera izgrađen je 1951. godine i od tada je kao Radnički dom, Dom
kulture, Dom mladih i Hrvatski dom «Herceg Stjepan Kosača» dao neizbrisiv trag duhovnog razvoja
grada Mostara i šire regije. Tokom rata objekt je devastiran i oštećen, uz skromne sanacije ratne štete i
adaptacije prostora, uglavnom neodgovarajućih rješenja i privremenog karaktera. U srpnju 1996.
godine uslijed preopterećenosti elektroinstalacija izgorjela je velika dvorana sa scenom, te
kompletnom opremom i inventarom. Za potrebe privremene sanacije napravljen je drveni krov s
limenim pokrovom.
Slika 3.1. Zgrada Hrvatskog doma «Herceg Stjepan Kosača» u Mostaru
U lipnju 1999. godine prije početka sanacije objekta, Institutu građevinarstva Hrvatske IGH-
MOSTAR d.o.o. Mostar povjeren je zadatak izrade elaborata o stanju konstrukcije i davanja prijedloga
44
sanacije, za koje potrebe je na temelju ugovora o dugoročnoj poslovnotehničkoj suradnji angažirana
specijalistička tvrtka SER.CO.TEC. iz Trsta, Italija.
Istražni radovi su izvedeni kontrolama bez razaranja (KBR metode) u karakterističnim zonama gdje je
konstrukcija jače oštećena prema slijedećem programu ispitivanja:
- vizuelni pregled objekta sa opisom nastalih oštećenja i foto-dokumentacijom;
- analiza kvalitete betona primjenom kombinirane metode SONREB (ultrazvuk + sklerometar,
prema normativima ASTM C 597 i ASTM C 805) sa primjenom osciloskopa i printera radi
registracije i tiskanja ultrazvučnog vala;
- analiza pukotina-dubina i pukotinskih sustava primjenom ultrazvuka (ASTM C 805);
- analiza stanja korozije armature mjerenjem električnog potencijala (ASTM C 876);
- vađenje valjkastih uzoraka betona Ø 50 mm (UNI 8520) radi kemijske i mehaničke analize;
- mjerenje čvrstoće betona pomoću PULL-OUT metode (ASTM C 90);
- određivanje količine iona klora u uzorku betona u kemijskom laboratoriju Sveučilišta u Trstu
(ENV 196 i ENV 197);
- određivanje tlačne čvrstoće valjkastih uzoraka betona Ø 50 mm u laboratoriju IGH -
MOSTAR;
- izvođenje zvučne probe na okvirnom nosaču br. 2;
- analiza progiba okvirnih nosača.
Dobiveni rezultati ispitivanja oštećenih konstrukcijskih elemenata upoređeni su sa izmjerenim
vrijednostima na neoštećenim elementima smještenim daleko od djelovanja vatre (nulta zona).
Provjera statičke stabilnosti, provjera seizmičke sigurnosti, kao i strukturalna analiza vršena je s
dobivenim rezultatima mjerenja na gradilištu KBR metodama.
45
Slika 3.2. Poprečni presjek zgrade
3.2. Dijagnoza požarom oštećene ab konstrukcije
3.2.1. Karakteristike djelovanja vatre na AB konstrukcije
U požaru se razvija temperatura od oko 1.000 oC na kojoj malo koji materijal zadržava svoje
mehaničke karakteristike. Što se tiče armiranog betona treba posebno analizirati djelovanje vatre na
beton i na čelik. Unutar samog betona u požaru nastaju naponi koji imaju tendenciju odvajanja
cementne matrice od agregata. Zbog tih unutarnjih naprezanja nastaju pukotine koje omogućuju ne
samo izravan kontakt plinova s armaturom, već i njihov prodor prema središtu betonskog presjeka.
Zbog ovog efekta se beton ljušti. Treba napomenuti da agregat od vapnenca ima bolju otpornost prema
vatri od silicijskih agregata.
Do temperature od 75 °C modul elastičnosti betona se bitno ne mjenja, a nakon toga znatno opada po
linernoj zakonitosti. Armatura u betonu znatno gubi svoje meheničke karakteristike kod temperature
preko 550 °C, pri čemu se znatno povećava koeficijent dilatacije čelika u odnosu na koeficijent
dilatacije betona, pa dolazi do savijanja armature i odbacivanja zaštitnog sloja betona, nakon čega
46
vatra izravno djeluje na armaturu, čime počinje njeno rapidno deformiranje. Za koje će vrijeme plinovi
temperature od 550 °C doprijeti do armature ovisi od debljine zaštitnog sloja betona.
Osim opisanih fizičkih pojava, u betonu dolazi i do kemijske reakcije za vrijeme požara. Iako teorijski
v/c faktor ima vrijednost od samo 0,33 («kemijska voda»), redovito se zbog lakše ugradljivosti betona
primjenjuje veći v/c, a višak vode se naziva «fizička voda», koja se u požaru zajedno sa apsorbiranom
vodom pretvara u paru, koja se oslobađa izazivajući «prasak», koji se u literaturi naziva «spalling»
(the splitting away of concrete), kada dolazi do odvajanja i odbacivanja zaštitnog sloja betona od
armature. Armatura izravno izložena vatri mijenja svoju kemijsku strukturu, što dovodi do smanjenja
njezine čvrstoće pa je potrebno iz tih zona uzeti uzorke čelika i podvrgnuti ih ispitivanju u
laboratoriju.
3.2.2. Vizuelni pregled objekta
AB konstrukciju kazališne dvorane Hrvatskog doma «Herceg Stjepan Kosaèa» u Mostaru čine okvirni
AB nosači koji nose krovnu konstrukciju, betonski stupovi i AB cerklaži prvog i drugog kata. Požar u
srpnju 1996. godine trajao je više sati, te je potpuno uništio drvenu krovnu konstrukciju i znatno
oštetio AB konstrukciju (okviri i stupovi). Drvena konstrukcija je obnovljena, a AB okviri su
ispitivani.
AB okvirni nosač se sastoji od 2 tlačne grede «T» presjeka 60x15+40x20 cm, armirane uzdužnom
glatkom armaturom 7 x Ø20 mm, i jedne vlačne grede pravokutnog presjeka 40x30 cm, armirane
uzdužnom glatkom armaturom 10 x 20 mm, s vilicama Ø8 mm na razmaku 35-45 cm (Slika 3.2.).
Zaštitni sloj betona je varirao od 2 do 3 cm, a na pojedinim mjestima bile su vidljive vilice. Grede su
betonirane na licu mjesta vrlo lošim betonom, vjerojatno proizvedenim ručno ili u maloj mješalici.
Razvijena temperatura u požaru od oko 800-1.000 °C je «ispekla» beton, tako da je on na površini
porozan, friabilan i niske čvrstoće. Površina betona je izbrazdana manjim i većim pukotinama, a
zaštitni sloj betona kod većine konstruktivnih elemenata je bio odvojen od armature ili je već otpao.
Stupovi su imali na više mjesta odvojenu uzdužnu (glavnu) armaturu, iako su vizualno dobro izgledali.
Beton stupova je bio manje oštećen jer su bili obloženi žbukom debljine 2-3 cm, koja je zaštitila
površinu betona od izravnog utjecaja vatre.
Na više mjesta u visini prizemlja gdje je vatra najviše gorjela i tinjala došlo je do ljuštenja i pucanja
(«spalling») materijala. U tim zonama nađena su mjesta gdje se kamen vapnenac pretvorio u vapno za
vrijeme požara, odnosno gašenja požara vodom i oborinskom vodom.
47
3.2.3. Ispitivanje konstrukcije kontrolama bez razaranja (KBR metodama)
Značajan razvitak primjenjene fizike, elektronike i drugih znanstvenih disciplina doveli su do pojave
većeg broja KBR metoda koje omogućavaju neposredna ispitivanja materijala ugrađenih u objekte, uz
smanjenu potrebu za klasičnim ispitivanjem uzoraka izvađenih iz samih objekata. Dakle, primjenom
KBR metoda mogu se bez oštećenja betonske konstrukcije analizirati i njene karakteristike.
Slika 3.3. Unutrašnjost kazališne dvorane
Položaj i promjer uzdužne i poprečne armature, kao i debljina zaštitnog sloja betona, određeni su
pomoću digitalnog ultrazvučnog aparata PROFOMETAR 3. Sonda ultrazvuka se kretala po površini
betona do dobivanja maksimalne vrijednosti točno iznad tražene šipke armature.
Analiza stanja korozije armature mjerenjem električnog potencijala, prema američkoj i talijanskoj
normi ASTM C 876 i UNI 9747, vršena je mjeračem električnog potencijala korozije između čelične
armature i galvanskog članka postavljenog na površinu betona marke CONTROLS S-58-E 50. Prema
američkoj normi vrijednost od 350 mV predstavlja donju granicu opasnosti od korozije, tako da se za
veće vrijednosti s 90 % sigurnosti može tvrditi da je na armaturi izražen proces korozije.
48
Površinska čvrstoća betona mjerena je pomoću Schmidt-ovog čekića (sklerometra) standardnog tipa
«N» prema američkoj, talijanskoj i engleskoj normi ASTM C 805, UNI 9189-88, BS 1881. Dobiveni
rezultati su dobra mjera ujednačenosti kvalitete površinskog sloja betona, ali ne i potpuno pouzdan
pokazatelj čvrstoće betona. Također, kvaliteta betona je analizirana primjenom ultrazvuka prema
američkoj, talijanskoj i britanskoj normi ASTM C 597, UNI 9524, BS 1881 ultrazvučnim
instrumentom UBE ELECTRINICS s ugrađenim mini računalom i piezoelektričnim sondama
VERNITRON frekvencije 55 kHz i Ø 55 mm.
Ispitivanje kombiniranom metodom ultrazvuk-sklerometar provedeno je na svim karakterističnim
mjestima konstrukcije. Mjerenje čvrstoće betona metodom PULL-OUT marke FISCHER prema
američkoj i talijanskoj normi ASTM C 90, UNI 9536 omogućila je izravnim putem određivanje tlačne
čvrstoće na ispitanom mjestu konstrukcije. Mjerenje je pouzdano jer rezultat ne ovisi o pripremi
površina, karbonatizaciji betona i vlazi u betonu.
Prema talijsnskoj normi UNI 8520 bušilicom marke BUNKER vađeni su mikrovaljci Ø 50 mm, što se
ne ubraja u razornu metodu jer se ne oštećuje armatura, a mjesto uzimanja uzorka je naknadno
zapunjeno epoksidnim mortom. Prethodno se mjesto vađenja uzorka odredilo pakometrom da bi se
izbjegla mjesta na kojima se nalazi armatura. Osim određivanja korelacijskog faktora radi primjene
metode ultrazvuka, izvađeni uzorci betona su ispitivani i kemijski radi utvrđivanja prisutnosti iona
klora u betonu, što je posljedica požara u prostorijama sa predmetima od plastike.
3.2.4. Ispitivanje AB nosača
U dvorani je bilo ukupno 6 slobodnih okvirnih AB nosača (Slika 3.4). Zbog problema premještanja
skele ispitivani su okvirni nosači br. 2, 3, 4, 5 i 6.
49
Slika 3.4. Raspored okvirnih nosača u kazališnoj dvorani
Nosač br. 2 ispitan je u 5 karakterističnih zona (1, 3, 4, 5 i 6), jer je skela bila postavljena paralelno s
nosačem. Ostali okvirni nosači ispitani su u dvjema karakterističnim zonama (5 i 6), lijevo od
pozornice gdje je pretpostavljeno da je intenzitet vatre bio najveći. Tokom ispitivanja okvirnih nosača
br. 3, 4, 5 i 6 skela je bila postavljena okomito na nosače s lijeve strane pozornice.
U nastavku su dati rezultati ispitivanja za svaku karakterističnu zonu u tablicama i grafičkim
prikazima.
Na nosaču br. 1 potpuno je bio odvojen zaštitni sloj betona koji se nalazio u blizini kutne uzdužne
armature. Zbog visoke temperature došlo je do narušavanja veze (prionljivosti) između čelika i betona
(zbog različitog koeficijenta dilatacije materijala), što je dovelo do podvajanja spomenutog nosača u
dva potpuno različita konstruktivna elementa. Posebno je bila opasna dijagonalna pukotina na lijevoj
tlačnoj gredi, koja se protezala po cijelom presjeku. Zbog oslabljene veze čelik – beton i prisutne
pukotine nosač je mogao na tom mjestu kolapsirati.
Na nosaču br. 3 zaštitni sloj betona u blizini uzdužne armature je bio potpuno odvojen. Površinski dio
beton je bio «izgoren» (porozan, fribialan i bez čvrstoće). Vizuelnim pregledom ustanovljeno je da
armatura nije korodirala. Nosač br. 4 je također imao odvojen zaštitni sloj betona u blizini kutne
uzdužne armature. Površinski dio betona je bio «izgoren». Na temelju vizuelnog pregleda, armatura
nije bila jače korodirana.
50
Slika 3.5. Poprečni presjek AB nosača
Nosači br. 5 i 6 su imali odvojeni zaštitni sloj betona u blizini glavne uzdužne armature. Na površini
nosača br. 5 beton je bio «izgorio» i nije imao odgovarajuću čvrstoću. Armatura nije jače korodirala
prema vizuelnom pregledu. Površinski dio betona nosača br. 6 je bio u manjoj mjeri «izgorio» nego
kod ostalih nosača, vjerojatno zbog veće udaljenosti od požara.
Slika 3.6. Dijagonalna pukotina na okvirnom nosaču
51
3.2.5. Ispitivanje AB stupova
Kazališna dvorana ima ukupno 12 nosivih stupova, presjeka 70x40 cm, koji su bili obloženi vapnenom
žbukom debljine 2-3 cm, koja je za vrijeme požara imala funkciju izolatora topline i zaštitila betonske
stupove od većeg razaranja. Glavna uzdužna armatura raspoređena je samo po obodu uže strane koja
ima širinu 40 cm, a poprečna armatura na razmaku 33-37 cm.
Slika 3.7. Raspored stupova u kazališnoj dvorani
Slika 3.8. Tlocrt stupa
52
Ispitivanja su vršena na visini od oko 1.10-1.40 m od poda. Stup br. 2 (Slika 3.10.) se nalazi u blizini
desnog sporednog ulaza, gdje je intenzitet vatre bio prilično izražen, što je bilo vidljivo iz ljuštenja i
pucanja kamena obližnjeg zida. Zbog visoke temperature došlo je do dilatacije uzdužne armature i
odvajanja zaštitnog sloja betona na kutu stupa. Stup br. 11 nalazi se u blizini lijevog sporednog ulaza,
gdje je intenzitet vatre bio nešto slabiji, tako da je sloj vapnene žbuke ostao na površini betona.
Slika 3.9. Ispitivanje stupa br. 2
Slika 3.10. Ispitivanje stupa br. 11
53
3.2.6. Izvođenje zvučne tomografije na nosaču br. 2
Zvučne probe zasnivaju se na analizi širenja zvučnog impulsa od 5 do 20 kHz kroz beton. Prilikom
ispitivanja možemo promatrati brzinu, amplitudu i frekvenciju zvučnog vala. Ova tehnologija
omogućuje dobivanje prečišćenih signifikatnih oscilograma. Najveću poteškoću predstavlja obrada
primljenih podataka, ali ni to nije prevelika prepreka zbog velikih tehničkih mogućnosti današnjih
računala.
Ispitivanje je provedeno samo na nosaču br. 2 jer je skela bila postavljena po cijeloj dužini vlačne
grede. Akcelometri PIEZOTRONICS postavljeni su na približno jednakim udaljenostima, a zvučni
impuls je proizveden udarcem čekića mase 1 kg. Udarac je proizveden u osi svakog akcelometra sa
suprotne strane grede od mjesta njegova postavljanja. Registracija signala je izvršena višekanalnim
digitalnim analizatorom marke GOULD.
Slika 3.11. Ispitivanje okvirnog nosača
Analizom rezultata zaključeno je da se zvučni val odmah prigušuje jer je beton porozan i na više
mjesta odvojen zaštitni sloj betona, s tim da je beton desne strane nosača (gledano prema pozornici)
bio nešto kvalitetniji jer se udarcem čekića u osi akcelometra br. 4 (Slika 3.4.) uspjevao registrirati
signal i u položaju akcelometra br. 2. Prilikom izvođenja udarca čekićem u osi akcelometra br. 1
zvučni val se jedva zamjećivao na poziciji akcelometra br. 2. Najbolje stanje betona registrirano je u
neposrednoj blizini akcelometra br. 3.
54
3.2.7. Kemijska analiza uzoraka betona
Visoka temperatura izaziva u betonu mehaničke i kemijske promjene, koje se obično ne dešavaju
odmah, već nakon izvjesnog vremena i vezane su za vrstu materijala koji je gorio. Izgaranje plastičnih
materijala proizvodi kolride, a izgaranje određenih boja dovodi do pojave nastanka sulfata. Ovi štetni
produkti izgaranja sadržani u dimu prodiru duboko u beton i tokom vremena razaraju čeličnu armaturu
i beton. Proces razaranja je ubrzan ako se beton nalazi u vlažnoj okolini (kapilarna vlaga,
kondenzacija, prokišnjavanje i dr.) jer se za vrijeme isparavanja sulfatne i kloridne soli kristaliziraju,
povećavajući volumen i na taj način razarajući strukturu betona.
Analiza prisustva klorida vršena je u laboratoriju Sveučilišta u Trstu prema europskim normama ENV
196 i ENV 197. Dobiveni rezultati o sadržaju klorida dodatno su provjereni mikroprocesorom
JONALYZER ORION mod. 901, a sadržaj sulfata provjeren je neizravnom kontrolom sa ATOMIC
SPECTROSCOPY LABORATORY. Analizom rezultata primjećeno je da je u blizini uzorka br. 11
(stup br. 11) gorjelo mnogo PVC materijala jer je sadržaj iona klora na granici dopuštenog.
3.2.8. Analiza rezultata ispitivanja
- Rezultati ispitivanja KBR metodama obrađuju se i ocjenjuju na isti način kao i rezultati
kontrolnih uzoraka. Ako je dobivena karakteristična tlačna čvrstoća niža od uvjetovane marke
betona, kontrolira se statički račun i sigurnost konstrukcije dokazuje prema utvrđenoj
karakterističnoj čvrstoći;
- Ugrađeni beton je vrlo loše kvalitete, agregat nema adekvatan granulometrijski sastav, sadrži
nečistoće, a upotrebljeni cement je niske marke;
- Armatura ugrađena u grede i stupove je zadržala svoje mehaničke karakteristike jer nije bila
izložena izravnom djelovanju vatre. Pretpostavlja se da nije bila izložena utjecaju temperature
više od 550 °C kada čelik mjenja svoju kristalnu strukturu i trajno gubi oko 30 % svoje
čvrstoće. Uzorci armature nisu uzeti da se ne ugrozi već kritično stanje nosača;
- Zbog niske tlačne čvrstoće uzorci betona (mikrovaljci 50 mm) su se drobili već prilikom
njihovog vađenja, tako da su isti korišteni samo za kemijsko ispitivanje. Čvrstoća betona je
ustanovljena pomoću PULL-OUT metode;
55
- Na temelju ispitivanja kvalitete ugrađenog betona KBR metodama (ultrazvuk, sklerometar,
pull-out i analiza mikrovaljaka) može se zaključiti da je površinski dio betona (zaštitni sloj) u
većini slučajeva oštećen;
- Na mjestima gdje je beton «izgorio» došlo je do narušavanja veze (prionljivosti) između
čelikai betona zbog različite dilatacije ovih materijala kod povišene temperature (iznad 100
°C). U tom slučaju prenose se na čelik tangencijalna naprezanja od glavnog naprezanja. Kad
nastupi klizanje šipke unutar betona, bit će napon jednakomjerno razdjeljen po čitavoj šipki
samo preko krajnjih kuka. U biti imamo dva potpuno različita konstruktivna elementa. Na
svim tim mjestima potrebno je obnoviti zaštitni sloj betona radi ponovnog uspostavljanja
prionljivosti;
- Ispitivanja kontrolama bez razaranja (KBR metode) pokazuju da je unutarnji dio betona u
gredama sačuvao svoju prvobitnu čvrstoću od 20-25 MPa;
- Referentna vrijednost brzine prolaza ultrazvučnog vala kroz zdravi beton izmjerena na stupu
br. 5 ispod žbuke, gdje beton nije bio izložen djelovanju vatre, iznosila je vd=3.100 m/s, što je
niska brzina, pa je i «zdravi» beton loše kvalitete. Analizom vrijednosti brzina vala mjerenih
na pojednim konstruktivnim elementima ustanovljeno je da su svi nosači imali oštećenja
velikog intenziteta (brzine vd < 1.488 m/s), dok su oštećenja stupova bila srednjeg intenziteta
(2.170 m/s < vd < 2.697 m/s);
- Na pozicijama mjerenja nosača B-B, C-C i E-E, koja su u neposrednoj blizini kutne armature,
ultrazvučni val je potpuno prigušen, što pokazuje da je na tim mjestima zaštitni sloj betona
odvojen;
- Zvučna proba je potvrdila rezultate dobivene ultrazvukom prema kojima je zaštitni sloj
armature oštećen i na pojedinim mjestima odvojen od armature. Gledajući prema pozornici,
lijeva strana nosača je oštećenija od desne tako da su daljnja ispitivanja na preostalim
nosačima vršena samo sa lijeve strane u karakterstičnim zonama br. 5 i 6;
- Sve izmjerene vrijednosti električnog potencijala korozije armature su niže od propisane
granice od 350 mV, pa je zaključeno da u tom trenutku na konstrukciji nije bio u toku proces
korozije većeg intenziteta;
- Kemijska analiza uzoraka pokazala je da samo stup br. 11 ima povećani sadržaj klora u
betonu. Situacija još nije opasna, ali stupove treba zaštiti i ojačati;
- Za pojedine konstruktivne elemente ustanovljeno je sljedeće:
a) Okvirni nosač br. 2 imao je na tlačnoj gredi dijagonalnu pukotinu po cijelom presjeku.
Kako je beton slabe kvalitete, a nakon požara je došlo do smanjenja prionljivosti «čelikbeton», ovo
oštećenje je označeno kao potencijano opasno za sigurnost krovne konstrukcije;
56
b) Ostali nosači su imali odvojeni zaštitni sloj betona u blizini kutne armature;
c) Betonski stupovi su u boljem stanju nego grede. Postojeći sloj žbuke od 2-3 cm zaštitio je
površinu betona od izravnog utjecaja vatre;
d) Zidovi od klesanog kamena su također bili zaštićeni slojem žbuke od 2-4 cm, koji je
smanjio štetno djelovanje vatre. Veće oštećenje kamena očitovalo se u blizini stupa br. 2, gdje je zbog
jačeg požarnog opterećenja došlo do ljuštenja i pucanja kamena;
- Progibi greda uzrokovani su već u toku izgradnje prilikom skidanja oplate, a povećani su
prilikom relaksacije čelika koju je prouzročio požar;
- Požar je gašen vodom koja je dodatno oštetila kamen i beton. Naglo hlađenje vodom izazvalo
je različita unutarnja naprezanja u betonu i kamenu koja se prouzrokovala formiranje pukotina
u konstruktivnim elementima;
- Preporučeno je izvođenje dinamičke (vibracione) probe sa vibrodinom i akcelometrima nakon
izvedene sanacije, radi ocjene otpornosti zgrade na eventualne potrese i kontroliranja
simulirane dinamičke probe statičkog modela konstrukcije na elektronskom računaru.
Kazališna dvorana Hrvatskog doma Herceg Stjepana Kosače obnovljena je i svečano otvorena u aprilu
2001. godine.
3.2.9. Ispitivanje mosta od prednapetog betona
Za provjeru performansi Impact-eho metodom, koja je obrađena u poglavlju 4, kod praktičnih
građevinskih testiranja, provedena su mjerenja na mostu od prednapetog betona.
57
Slika 3.12. Ispitivanje prednapetog mosta Impact-eho metodom
Prednapeti most od betona je izgrađen krajem 60-ih godina u ukupnoj dužini od 96 metara.
Nadgradnja se sastojala od ploča šupljeg presjeka debljine 1,10 m. Most se oslanjao na nosače i dva
para stupova, rasponi su iznosili 31 m, 34 m i 31 . Statička shema mosta je luk poluprečnika 80 m. Da
bi se smanjila vlastita težina mosta, u pet redova su ugrađene cijevi (slika 3.12 ). Ova šuplja tijela
održavaju se u dužini od sedam metara, a prekidani su u uzdužnom smjeru na oko 1m.
Slika 3.13. Skica konstrukcije mosta
Slika 3.14. Presjek ploče i prikaz šupljih tijela
Brzina P - valova kroz beton iznosila je vP = 4162 m/s. Mjerenja su izvršena na donjoj strani mosta. Na
slici 3.14. je dat prikaz rezultata mjerenja na autocesti na mostu. Refleksije na donjoj strani šupljeg
tijela mogu se vidjeti na ehogramu u obliku polukruga ( pojašnjenje je na slici; pozicija vrha cijevi je
skicirana). Na osnovu tih mjerenja izmjerena je dubina cijevi y = 520 cm od 14 cm. Mjerenja u polju
(slika 3.14.) su dala također dobre rezultate. Izmjerena vrijednost dubine na kojoj se nalazi izolirana
cijev (slika 3.14.) je od 13 cm, 15 cm i 13 cm. Kod demontaže mosta, most je izrezan u nekoliko
glavnih elemenata nadgradnje. Na osnovu tih isječaka mogla je tačnost mjerenja biti provjerena.
58
Odstupanja su bila vrlo mala u odnosu na konkretnu betonsku ploču i iznosila su 1 %. U
frekvencijskom opsegu, nastala rezonancija na 6 kHz je na osnovu provedenih ispitivanja razlog za
dodtno ispitivanje sopstvene frekvencije mjernog uređaja. U sredini polja u toku mjerenja na cesti
došlo je do pomaka ugrađenih tijela. Na slici se može vidjeti duboka rezonancija dvije cijevi koja se
prekida u području od 105 cm < x < 215 cm. Niža amplituda lijeve cijevi kao i slika duboke
rezonancije su nastale zbog toga što mjerna linija nije odmah ispod grebena cijevi otišla. Zbog luka u
obliku krivulje su cijevi u uzdužnom smjeru pod kutom 6° jedne na drugu naslonjene.
Slika 3.17. Impact-ehogram dvije cijevi, mjerenje u sredini raspona duž
kolnika
Debljina palube mosta u ovom slučaju s Impact-Echo metodom se ne može utvrditi. U sadašnjoj
strukturi mosta sa šuplijm tijelima, uvedeni valovi su toliko jako razbacani, da je odraz zvučnih valova
postao nemjerljiv što se nije očekivalo. Osim toga, postojeća komponenta debljine u gornjoj granici
raspona je bila mjerljiva ovom metodom. Smještaj prednapetih kablova se također nije mogao
odrediti, jer kriterij za lokalizaciju prednapetih kablova zavisio od pomaka debljine rezonancije.
Dodatna mjerenja na konzoli su potvrdila pretpostavljene rezultate. Kontinuirani porast debljine
konzole se može vrlo precizno mjeriti. Impact-eho mjerenja na gornjoj strani mosta nisu bila uspješna.
Asfalt i pločnik trake su doveli do prigušivanja zvučnih valova, tako da dobiveni rezultati nisu imali
značaja.
59
4. USPOREDBA METODA ULTRAZVUČNE DEFEKTOSKOPIJE U ISPITIVANJU AB KONSTRUKCIJA
1.
4.1 Uporedna ocjena metoda defektoskopija pri kontroli elementa od krupnostrukturnih materijala
Pri ultrazvučnoj defektoskopiji elementa od sitnostrukturnih materijala i posebno metala, pitanje
izbora metode kontrole, po pravilu se rješava u korist eho-metode. Visoka osjetljivost, mogućnost
određivanje dubine zalaganja defekta, dobra radijalna i fraktalna sposobnost razdvajanja, mogućnost
samo jednostranog prilaza ka proizvodu omogućuje eho-metodi pri defektoskopiji na visokim
frekvencijama široko preimućstvo. Prilikom ispitivanja građevinskih materijala i konstrukcija,
proizvedenih od krupnostrukturnih materijala, kontrolu je neophodno sprovesti na niskim
ultrazvučnim frekvencijama pri visokom nivou reverberacionih smetnji. U tom slučaju eho-metoda
gubi niz svojih preimućstava.
Tablica 4.1. Upoređivanja metoda ultrazvučne defektoskopije pri kontroli elemenata od
krupnostrukturnih materijala
Osnovne
karakteristike
Eho metoda Vremenska
metoda sjenke
Amplitudna
metoda sjenke
Uslovi defektoskopije Sprovodi se pri
jednostranom
prikazu proizvoda
Neophodan je pristup nekontrolisanom proizvodu sa
obje strane
Osnovni faktori koji
ograničavaju
osjetljivost kontrole
Reverberacione
smetnje
Rasipanje brzine
prostiranja UZO u
proizvodima
Rasipanje prigušenja UZO
u proizvodima
Uticaj nestabilnosti
akustičkog kontakta
Srednji Neznatan Jako veliki
Protezanje mrtve zone Mrtva zona ne postoji
Greška određivanja
dubine zaleganja
defekata
Dubina zaleganja defekta se ne određuje
Mogućnost radijalnog
razdvajanja
Ne postoji
Procjena dimenzija
otkrivenog defekta
Prema etalonim
obrascima ili AVD
Računskim putem Prema AVD-dijagramu
60
Argumentovani izbor metode kontrole pri defektoskopiji proizvoda od krupnostrukturnih materijala
može se učiniti samo na osnovu upoređenja ovim uslovima odgovarajućih karakteristika sravnjenih
metoda (tablica 4.1.). Nedovoljna proučenost spektralne i korelacione metode defektoskopije ne
omogućuje u sadašnjem momentu procjenu njihovih realnih mogućnosti.
Slika 4.1. Poređenje osjetljivosti defektoskopije amplitudnom i vremenskom metodom sjenke
Veća mrtva zona eho-metode kontrole pri korištenju niskofrekventnih tipova selektora praktično
isključuje mogućnost njene primjene pri defektoskopiji građevinskih elemenata i konstrukcija. Na taj
način izbor optimalne metode defektoskopije, u osnovi, svodi se na upoređenje vremenske i
amplitudne metode sjenke.
Uporedna ocjena metoda u prvom redu se sprovodi sa aspekta njihove realne osjetljivosti u
konkretnim uslovima. Na slici 2.2 prikazan je grafik koji omogućuje upoređenje vremenske i
amplitudne metode sjenke po osetljivosti pri defektoskopiji proizvoda različtih debljina. Pri
konstruisanju grafika osjetljivost vremenske metode sjenke određena je računskim putem prema
jednačini.
(4.1)
61
Osjetljivost amplitude metode sjenke ocjenjuje se prema AVD-dijagramu. Iz AVD-dijagrama slijedi
da pri Z/Za 15 osjetljivost amplitudne metode sjenke zavisi od brzine prostiranja oscilacija u
kontrolisanim elementima. Ovo je izazvano time, što se sa povećanjem brzine prostiranja oscilacija
smanjuje protezanje blizne zone selektora i, saglasno tome, pri konstantnoj debljini kontrolisanog
proizvoda, povećava veličina odnosa Z/Za. U vezi s tim na slici prikazane su karakteristike
osjetljivosti amplitudne metode sjenke za najveću i najmanju vrijednost brzine prostiranja ultrazvučnih
oscilacija izmjerenih u proizvodima od krupnostrukturnih materijala.
Pri upoređenju osjetljivosti amplitudne i vremenske metode sjenke neophodno je prethodno, na
osnovu preporuka, ocjeniti veličine td/t i A/A za kontrolisane proizvode i dalje, na osnovu njihovih
debljina prema grafiku 4.1., odrediti poluprečnik defekta otkrivenog razmatranim metodama. Iz sl. 4.1.
slijedi da se smanjenjem debljina kontrolisanih proizvoda osjetljivost vremenske metode sjenke raste
znatno intenzivnije od osjetljivosti amplitudne metode. Prema tome, cijelishodnost korištenja
vremenske metode sjenke povećava se srazmjerno smanjenju debljine kontrolisanih proizvoda. Tako,
u datim uslovima (a=16 mm; f=60 kHz) pri defektoskopiji sirove vatrostalne opeke preimućstvo
vremenske metode sjenke je neosporno pri debljinama proizvoda manjim od 40-50 mm, a pri
defektoskopiji betona – pri debljinama manjim od 80-100 mm.
Treba ipak zapaziti da pri debljinama proizvoda manjim od 10-15 mm, raste greška mjerenja vremena
prostiranja oscilacija i osjetljivost vremenske metode sjenke se unekoliko snižava u poređenju sa
veličinom dobijenom prema izrazu (4.1).
Pri izboru metode defektoskopije treba voditi računa takođe, da vremenska metoda sjenke posjeduje
veću stabilnost u odnsosu na smetnje od amplitudne i, posebno, manje je kritična u pogledu
nestabilnosti akustičkog kontakta selektora i kontrolisanog proizvoda. Pri defektoskopiji
niskofrekventnim ultrazvučnim oscilacijama elemenata od krupnostrukturnih materijala ovaj faktor
može imati odlučujući značaj.
Vizualni pregled konstrukcije nadopunjuje se nerazornim i razornim metodama ispitivanja. Neke od
nerazornih metoda ispitivanja također u određenoj mjeri oštećuju konstrukciju, ali su ta oštećenja
površinska i zanemariva. Za informaciju se u sljedećoj tablici daje pregled karakteristika materijala
odnosno konstrukcije te su im pridružene pojedine metode ispitivanja i tehnike dijagnostike stanja
koje omogućuju njihovo određivanje.
62
Tablica 4.2. Ispitivanje karakteristika materijala/konstrukcija različitim metodama ispitivanja
Karakteristika
materijala / konstrukcije
Metoda ispitivanja
Čvrstoća / površinska tvrdoća 1. Svojstva betona pri površini
- ispitivanje uzetih uzoraka
- ispitivanje otpora prodiranju (Windsor sonda)
- break-off metoda
- ispitivanje unutarnjeg loma
- pull-off metoda
- sklerometar
2. Reprezentativna svojstva betona
- ispitivanje uzetih uzoraka
- ultrazvuk
Kvaliteta / jednoličnost betona 1. Svojstva betona pri površini
- ispitivanje uzetih uzoraka
- ultrazvuk
- sklerometar
2. Reprezentativna svojstva betona
- ispitivanja uzetih uzoraka
- ultrazvuk
- impact echo metoda
- radiografija
Položaj armature i debljina zaštitnog sloja
betona
- «covermeter»
- radar
- fizičko otvaranje betona ili uzimanje uzoraka
Položaj zaštitnih cijevi prednapetih kablova
ili drugih ubetoniranih metalnih predmeta
koji se nalaze na većoj dubini
- radar
- pulse-echo metoda
Dubina karbonatizacije - ispitivanje fenolftaleinom
- petrografska ili mikroskopska analiza
Prisutnost klorida
Prisutnost sulfata
- laboratorijska analiza uzoraka
- kemijska ispitivanja bušotina na licu mjesta
Korozija armature - kartriranje elektropotencijala
63
Stanje ubetonirane čelične armature /
prednapetih kablova
- određivanje otpornosti
- fizičko otvaranje ili uzimanje uzoraka
Napredovanje korozije - otpornost linearnoj polarizaciji
- mjerenje struje – galvanski članak
Raširenost i važnost pukotina i vidljivih
oštećenja
- vizualni pregled / fotografski zapisi
Odvajanje - akustične metode (pomoću udara ili vučenjem
lanaca)
- analiza uzetih uzoraka
- termografija
- impact-echo metoda
- ultrazvuk
- radar
Svojstva materijala: betona, čelika i dr. Uzorci materijala za analizu u laboratoriju i
Ispitivanje čvrstoće i drugih mehaničkih svojstava,
fizikalnog ili kemijskog sastava, stanja, trajnosti i dr.
Sadržaj vlage - izravna laboratorijska mjerenja na uzorcima
-izravna mjerenja na licu mjesta praha primjenom
kemijskih reagensa i kalorimetra
- sonde za određivanje otpornosti/ kapaciteta /rosišta
- radar (relativni pokazatelj)
- termografija (relativni pokazatelj)
Otpornost na abraziju - ubrzani test trošenja
Alkalno-silkatna reaktivnost - petrografska / mikroskopska analiza
- laboratorijska ispitivanja latentnih ekspanzijskih
svojstava
Injektiranje kablova za prednaprezanje /
korozija ili drugo oštećenje prednapetih
kablova u zaštitnim cijevima
- fizičko otvaranje ili uzimanje uzoraka sa zračnim
ispitivanjem za utvrđivanje volumena šupljina
- boroskop
- radiografija
Površinska propusnost / apsorpcija - test za određivanje površinske apsorpcije (ISAT)
- ispitivanje vodopropusnosti i plinopropusnosti
- ispitivanje apsorpcije na bušenim uzorcima
64
4.2 Uporedba ultrazvuka i sklerometra
Sklerometar je uređaj koji se primjenjuje za:
- procjenu čvrstoće betona u konstrukciji;
- kontrolu kvalitete;
- praćenje razvoja čvrstoće;
- određivanje ujednačenosti (homogenosti) betona.
Sastavni dijelovi sklerometra su (Slika 4.2. ):
1. Potisna opruga
2. Ticalo
3. Uteg
4. Vodilica
5. Kazaljka
6. Skala
7. Dugme
8. Kućište
Slika 4.2. Sastavni dijelovi sklerometra
65
Postupak ispitivanja se sastoji u tome da se mjeri veličina odskoka utega ovisna o površinskoj tvrdoći i
elastičnosti betona. Najpoznatiji je Schmidtov sklerometar kojeg ima različitih modela ovisno o vrsti
betona: L, N, M).
Najprije se vrši priprema površine mjesta ispitivanja. Površina jednog ispitnog mjesta iznosi oko
400cm2, a broj udaraca po jednom ispitnom mjestu najmanje 14 sa minimalnim međusobnim
razmakom od 2cm. Na osnovu izmjerenih odskoka odredi se srednja vrijednost, te se odbace sve
vrijednosti koje se od toga razlikuju za više od 4. Računa se nova srednja vrijednost i to je za to ispitno
mjesto – indeks sklerometra a pomoću baždarne krivulje odredi se tlačna čvrstoća s određenom
greškom mjerenja sRM.
Ultrazvuk je uređaj koji se koristi za:
- Određivanje ujednačenosti betona;
- Procjena čvrstoće u konstrukciji;
- Praćenje napredovanja čvrstoće;
- Procjena oštećenja betona;
- Utvrđivanje pukotina i gnijezda;
- Određivanje dinamičkog modula elastičnosti;
- Određivanje učinkovitosti sanacije pukotina.
Generator impulsa predaje betonu preko sonde odašiljača T impuls uzdužnih oscilacija koji nakon
prolaska kroz beton duljine L u drugoj sondi prijemniku R budu pretvoreni u električni impuls.
Vremenski interval od trenutka kada impuls napušta sondu odašiljač do trenutka prijema impulsa u
drugoj sondi prijemniku predstavlja vrijeme prolaska impulsa T. Brzina ultrazvuka, v:
(4.2)
Slika 4.3. Određivanje brzine ultrazvukom
66
Tlačna čvrstoća:
(4.3)
fB – računska tlačna čvrstoća (MPa)
v – brzina prolaska ultrazvuka (km/s)
A, B – konstante baždarne krivulje.
IMPACT – ECHO metoda je akustična, nerazorna metoda ispitivanja betonskih i zidanih
konstrukcija. Princip rada EHO – metode dan je na slici:
Slika 4.7. Princip rada EHO metode
Temeljna jednadžba metode “Impact-echo”:
(4.7)
gdje je:
d - udaljenost od koje su se valovi naprezanja odbili (širina šupljine ili debljina punog presjeka)
C - brzina širenja valova
67
f - dominantna frekvencija signala.
I na kraju, ispitivanje bez razaranja je skup metoda tehničke dijagnostike kojima je, uprkos potpuno
različitim fizičkim osnovama, zajednički cilj otkrivanje skrivenih defekata u materijalu, čime se,
blagovremenom zamenom ili opravkom, predupređuje otkaz sastavnog dela ili sistema.
Koristi se za:
- Mjerenje debljina betonskih ploča, ploča kolnika, potpornih zidova, tunelskih obloga slično;
Slika 4.4. Mjerenje debljine ploče
- Određivanje položaja, debljine i smjera širenja pukotina, šupljina, delaminacija i odvajanja u
konstruktivnim elementima od običnog i armiranog betona, kao što su:
- ploče (međukatne ploče, zidovi, temeljne i kolničke ploče),
- slojevite ploče (npr, asfalt na betonu), stupovi i grede (kvadratnog, pravokutnog ili kružnog
poprečnog presjeka),
- cijevi (betonske cijevi, tuneli, spremnici, rudarska okna);
Slika 4.5. Određivanje šupljina i pukotina ispod ploče i kolnika
- Odredivanje šupljina u posteljici ispod ploča i kolnika;
- Mjerenje dubine širenja površinskih pukotina;
- Određivanje šupljina u punilu kablova kod prednapetih konstrukcija;
68
- Određivanje pukotina, šupljina i sličnih nedostataka u zidovima od opeke i blokova.
Pored toga ova metoda, zajedno sa metodom sklerometra, spada u dvije najviše primenjivane metode
za definisanje čvrstoće pri pritisku betona (“naknadno dokazivanje marke betona”). Osim za
ispitivanje čvrstoće, metoda ultrazvuka se vrlo uspješno primenjuje za definisanje dinamičkog modula
elastičnosti i u defektoskopiji betona.
Za ispitivanje čvrstoće najčešće se koriste predajnici ultrazvučnih impulsa frekvencije 50-150 kHz.
Kako je brzina ultrazvuka v funkcija zapreminske mase, odnosno ostvarene kompaktnosti betona, to se
ona kod betona kreće u dosta širokim granicama, 2000-5000 m/s. Smatra se da je brzina v=3500 m/s
donja granica brzine za kvalitetne betone. Čvrstoća betona će po pravilu biti veća kod betona veće
kompaktnosti (manje poroznosti). Ovo pravilo, međutim, važi samo ako postoji zadovoljavajuća
adhezija između cementnog kamena i zrna agregata. Ukoliko ovaj uslov nije ispunjen, mogu se dobiti i
vrlo niske čvrstoće betona i pri relativno visokim brzinama ultrazvuka.
Osim slabe adhezije između cementnog kamena i zrna agregata, koja na brzinu ultrazvuka nema
uticaja, brzina ultrazvuka takođe ne može da registruje veće čvrstoće u slučaju primene cementa viših
klasa. Iz tog razloga, za definisanje zavisnosti brzina-čvrstoća: fp= fp(v), u slučaju kada se ne zna
pouzdano koji je cement primenjen u konkretnom slučaju, bolje je uzorke uzimati vađenjem iz
konstrukcije (kernovi), nego primenjivati unapred utvrđene tzv. “kalibracione krive”, dobijene od
posebno izrađenih uzoraka.
Slika 4.6. Kod zavisnosti fk-v eksponencijalna funkcija obično daje najbolje rezultate
69
DODATAK
Prikaz različitih ultrazvuka:
a) b)
Slika 4.7. a) ultrazvučni aparat i b) mjerač debljine stjenke i defektometar
Slika 4.8. Ultrazvučni impulsni aparat USM 35X S
70
5. ZAKLJUČAK
Prema tome, osnovna zadaća ispitivanja ab konstrukcija ultrazvukom jeste spoznaja i zaključak je li
konstrukcija izvedena prema projektu i važećim propisima i standardima ili je odbacivanje
konstrukcije kao nepopravljive i neupotrebljive jedno od rješenja ili se konstrukcija, nakon
provedenog ispitivanja, uz tačno definirane uvjete i tehnička rješenja može dovesti na nivo
komercijalne primjene.
Kao što je već navedeno ultrazvučna metoda je metoda ispitivanja bez razaranja kod koje se zrake
zvuka visoke frekvencije emituju u materijal s ciljem otkrivanja površinskih i dubinskih grešaka.
Zvučni talasi prodiru u materijal i odbijaju se od prelaznih površina. Stepen refleksije uglavnom zavisi
od fizičkog stanja materijala na prelazu, a manje od osobina materijala. Zvučni signali se skoro
potpuno reflektuju od prelaza metal/gas. Parcijalna refleksija se javlja na prelazima metal/tečnost ili
metal/čvrsta tijela. Ultrazvukom se otkrivaju pukotine, odvajanje laminata, lunkeri, pore, nemetalni
uključci i druge nehomogenosti.
Određivanje mehaničkih karakteristika betona nerazornim metodama jedan je od najzahtjevnijih
zadataka u građevinarstvu. Uprkos ograničenjima u interpretaciji rezultata i korelaciji s relevantnim
svojstvima za proračun sigurnosti konstrukcija, ostvaren je znatan napredak u razvoju nerazornih
metoda ispitivanja. Do sada su poznati odnosi između izmjerenih veličina nerazornim metodama i,
primjerice, čvrstoće za obične betone, ali uočeno je da takvi odnosi ne vrijede za betone u koje se
dodaje polimer, a koji se u posljednje vrijeme često koriste. U radu su prikazani rezultati ispitivanja
betonskih mješavina koje obuhvaćaju širok raspon čvrstoća i time omogućavaju kalibriranje
sklerometra i ultrazvuka. Varirana je i količina polimera, čime su stvorene pretpostavke za
razumijevanje mogućih varijacija u čvrstoći.
Dodavanjem polimera smanjuje se i dinamički modul elastičnosti betona proporcionalno s količinom
dodanog polimera. Kako se dodavanjem polimera smanjuju tlačna čvrstoća i modul elastičnosti, očito
je da sve navedeno utječe na izlazne rezultate ispitivanja nerazornim metodama. Smanjenje
maksimalnog zrna agregata povećava tlačnu čvrstoću jer omogućava bolje ''pakiranje'' strukture, ali
smanjuje modul elastičnosti jer je potrebno više cementne paste manjeg modula elastičnosti da obavije
sva zrna agregata. Jednako tako, manje maksimalno zrno agregata utječe na smanjenje dinamičkog
modula elastičnosti, a to se može objasniti povećanjem udjela cementne paste koja ima manju
vrijednost dinamičkog modula elastičnosti nego agregat.
Usporedbom betona različitog sastava (bez polimera i s njim) očit je utjecaj veličine zrna na prije
spomenute vrijednosti.
71
Osim količine dodanog polimera, na brzinu prolaska ultrazvučnog impulsa i indeks sklerometra znatno
utječe i količina cementa u betonu. Polimerni film koji se formira oko cementnog kamena ima
zanemarivu debljinu u odnosu na ostale mjerljive debljine sloja, ali ima vrlo velik utjecaj na rezultate
nerazornih ispitivanja. Kako polimerni film koji se formira oko cementnog kamena mijenja njegova
svojstva u makroskopskom smislu, očito utječe i na izmjerene vrijednosti indeksa sklerometra.
Općenito vrijedi da se dodavanjem polimera smanjuje vrijednost indeksa sklerometra, ali omjer
postotka smanjenja indeksa sklerometra i količine dodanog polimera nije konstantan. Velike razlike u
indeksima sklerometra primjetne su između betona s 0 % i 5 % dodatka polimera. Razlika između
indeksa sklerometra za betone s 5 % i 10 % dodatka polimera vrlo je mala (1 do 2 %). Očito je da već i
male količine lateksa znatno mijenjaju svojstva betona.
Isto tako iz navedenog se može zaključiti da se izlazni rezultati mjerenja ne smanjuju proporcionalno s
povećanjem količine lateksa.Ako se za određivanje čvrstoće polimerom modificiranog betona
primjenjuju baždarne krivulje proizvođača opreme, procijenjena tlačna čvrstoća biti će manja od
stvarne. Osim tlačne čvrstoće, na vrijednost indeksa sklerometra utječe čitav niz svojstava kao što su
modul elastičnosti, tvrdoća, gustoća, ravnost površine itd. te je uređaj potrebno baždariti na vlastitim
uzorcima. Najveći utjecaj na čvrstoću betona određenu sklerometrom ima čvrstoća cementnog
kamena.
Analiza pokazuje da rezultati ispitivanja ultrazvukom bolje prikazuju varijacije u sastavu betonske
mješavine od rezultata ispitivanja sklerometrom. Također je potrebno naglasiti da prikazani rezultati
ispitivanja pokazuju isključivo trend kretanja rezultata. Za izradu baždarnih krivulja za betone
posebnog sastava prema vrijedećim je normama potrebno provesti ispitivanja na znatno većem broju
uzoraka.
72
6. LITERATURA
D. Almesberger i dr.: Dijagnoza i sanacija požarom oštećene armirano-betonske konstrukcije
kazališne dvorane Doma “Herceg Stjepana Kosača” u Mostaru (BiH), Elaborat, Mostar-
Trieste, 1999.
M. Jurković, Ispitivanje konstrukcija, Bihać, 2009.
R. Vukotić, Ispitivanje konstrukcija, Naučna knjiga, Beograd, 1982.
M. Muravljov, Osnovi teorije i tehnologije betona, GR Konstrukcije, Beograd, 1991.
Galić, J.: Određivanje karakteristika polimerom modificiranih betona nerazornim metodama,
magistarski rad, Građevinski fakultet Sveučilišta u Zagrebu, 2005.
ACI 548.3R-95: State-of-the-Art Report on Polymer-Modified Concrete, ACI Manual of
Concrete Practice, Part 5, 1998
ACI 548.1R-97: Guide for the Use of Polymers in Concrete,ACI Manual of Concrete Practice,
Part 5, 1998
ACI 548.5R-94: Guide for Polymer Concrete Overlays, ACI Committee 548, The
Encyclopedia of Concrete Technology, 1995
Banjad Pečur, I.: Optimalizacija sastava betona za tunelske obloge, doktorski rad, Građevinski
fakultet Sveučilišta u Zagrebu, 2002.
Štirmer, N: Oštećenja nadslojeva industrijskih podova od udarnih opterećenja, doktorski rad,
Građevinski fakultet Sveučilišta u Zagrebu, 2004.
Galić, J.; Banjad Pečur, I.: Non-destructive testing of polymer modified concrete, Proceedings
of the Eight International Symposium on Brittle Matrix Composites, Warsaw, Poland, 23-
25.10.2006.
PESSIKI, S. P. & CARINO, N. J., 1987: Measurement of the Setting Time and Strength of
Concrete by the Impact-Echo Method. NBSIR 87-3575, National Bureau of Standards, July
1987, 121 pp.
BEUTEL, R, 1999: Praktische Anwendbarkeit der Ultraschallwellenmessung als Instrument zur
Bestimmung des Erhärtungsgrades von Beton. Diplomarbeit Universität Stuttgart, Institut für
Werkstoffe im Bauwesen.
73
Ohama, Y.: Handbook of polymer-modified concrete and mortars – Properties and process
technology; Noyes publications 1995
74