Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса, цели и задачи исследования . 10
1.1 Общие сведения о методе усиления железобетонных конструкций при помощи композитных материалов 10
1.2 Экспериментальные исследования и методы расчета статической работы усиленных изгибаемых железобетонных элементов
1.2.1 Варианты отказа балок, усиленных композитом 21
1.2.2 Экспериментальные исследования железобетонных балок, усиленных композитом 23
1.2.3 Методики конструктивного расчета усиления железобетонных балок композитом 1.3 Анализ методов расчета деформаций отслоения композита 31
1.4 Исследования по обнаружению дефектов нарушения адгезии в усиленных композитом конструкциях методом инфракрасной термографии 38
1.5 Задачи настоящего исследования 43
ГЛАВА 2. Моделирование процесса теплопередачи в системе «углеродный холст – эпоксидная смола – бетон – отслоение – бетон» 45
2.1 Математическая постановка задачи 45
2.2 Определение теплофизических параметров элементов системы 47
2.3 Определение параметров инфракрасной съемки 50
ГЛАВА 3. Программа и методика экспериментального исследования напряженно-деформированного состояния усиленных углепластиком железобетонных балок 60
3.1 Программа экспериментального исследования 60
3.2 Исследование свойств материалов 66
3.2.1 Исследование свойств углепластика 66
3.2.2 Исследование свойств стальной арматуры 69
3.2.3 Исследование свойств бетона 73
3.2.4 Исследование адгезии углепластика к бетону 73
3.3 Методика проведения испытаний балок
3.3.1 Методика статических испытаний 76
3.3.2 Методика инфракрасной съемки 81
3.3.3 Алгоритм обработки данных инфракрасной съемки 90
ГЛАВА 4. Результаты экспериментального исследования напряженно-деформированного состояния усиленных углепластиком железобетонных балок
4.1 Результаты испытаний образцов группы Б1 серии «а» 98
4.2 Результаты испытаний образцов группы Б1 серии «б».. 99
4.3 Результаты испытаний образцов группы Б1 серии «в» 103
4.4 Результаты испытаний образцов группы Б2 серии «а» 107
4.5 Результаты испытаний образцов группы Б2 серии «б» 109
4.6 Результаты испытаний образцов группы Б2 серии «в» 111
4.7 Анализ результатов испытаний 115
4.8 Количественный анализ отслоения 140
Заключение 146
Список литературы
- Экспериментальные исследования и методы расчета статической работы усиленных изгибаемых железобетонных элементов
- Определение теплофизических параметров элементов системы
- Исследование свойств стальной арматуры
- Результаты испытаний образцов группы Б1 серии «б»..
Введение к работе
Актуальность темы. В последнее время в России получила широкое распространение технология усиления железобетонных конструкций композитными материалами. Эффективность внешнего армирования железобетонных конструкций композитами подтверждена многочисленными экспериментальными данными, полученными как в России, так и за рубежом. Тем не менее, единственный нормативный документ СП 164.1325800.2014 «Усиление железобетонных конструкций композитными материалами. Правила проектирования», регламентирующий методику расчета усиленных композитом конструкций, вступил в силу только с 1 сентября 2014 года. Однако, в соответствии с подходом, заложенным в Своде правил, расчет по предельным состояниям первой группы предусматривает ограничение работы усиленных железобетонных элементов величиной предельных деформаций в композите, соответствующих началу его отслоения от бетонного основания, что не позволяет однозначно определить предельное состояние усиленных железобетонных элементов. На сегодняшний день большинство исследований посвящено оценке напряженно-деформированного состояния элементов, которые на момент усиления находились в ненагруженном состоянии. Имеющиеся единичные экспериментальные результаты, описывающие напряженно-деформированное состояние железобетонных элементов, усиленных в нагруженном состоянии, получены без учета работ по инъецированию существующих трещин. Такие подходы в полной мере не соответствуют фактическим условиям использования технологии усиления, так как на практике усиление элементов выполняется в нагруженном состоянии с предварительным инъецированием трещин. Натурные обследования показали, что одним из основных дефектов, снижающих эффективность восстановления конструктивной безопасности и несущей способности железобетонных элементов при помощи внешнего армирования, является отслоение композита от бетона. Поэтому обеспечение совместной работы композита с бетонным основанием за счет раннего диагностирования дефектов-отслоений является актуальной задачей, решение которой позволит обеспечивать предотвращение снижения эксплуатационной пригодности усиленных железобетонных элементов за счет развития скрытых дефектов.
Степень разработанности темы исследования. Исследованиями работы железобетонных конструкций, усиленных композитами, с учетом различных факторов занимались многие отечественные (Шилин А.А., Картузов Д.В., Смердов Д.Н., Неровных А.А., Бокарев С.А., Маилян Д.Р., Польской П.П., Шевцов Д.А., Клюев А.В., Лесовик Р.В., Морозов В.И. и др.) и зарубежные (M.R. Esfahani, H. Rahimi, P.A. Ritchie, H. Saadatmanesh, M.R. Ehsani, T.C. Triantafillou, M.A. Shahawy, A. Hutchinson и др.) ученые. Однако до сих пор не проводились систематические исследования напряженно-деформированного состояния железобетонных элементов, усиленных до приложения нагрузки и в ходе нагружения после появления первых трещин и их инъецирования, с учетом регистрации процесса отслоения композита при нагружении. Вопросам использования метода инфракрасной термографии для обнаружения дефектов и концентрато-
ров напряжений, в том числе в зоне приклеивания внешнего армирования к бетонной поверхности, посвящены работы U.B. Halabe, H.R. Hamilton, Т. Donchev, C.S. Poon, W.L. Lai, А. Shirazi,V.M. Karbhar, F. Taillade, M.R. Valluzzi, C.W. Ни, В.П. Вавилова, И.Т. Мирсаяпова, Л.Ю. Соловьева и др. Однако в них математически не обоснована возможность использования данного метода для регистрации отслоений, возникающих под действием нагрузки и реализующихся по когезионному сценарию. Кроме того, на сегодняшний день отсутствует методика применения инфракрасной съемки для регистрации процесса отслоения углепластиковых лент от поверхности железобетонных элементов.
Цель диссертации. Установить особенности напряженно-деформированного состояния железобетонных элементов, усиленных углепластиком до приложения нагрузки и в ходе нагружения после появления первых трещин и их инъецирования, методом инфракрасной термографии, необходимые для обеспечения работоспособности усиленных элементов в течение срока эксплуатации. В соответствии с этой целью решались следующие задачи:
математически обосновать возможность использования инфракрасной термографии для регистрации отслоений, возникающих под действием нагрузки и реализующихся по когезионному сценарию;
определить параметры инфракрасной съемки и область геометрических размеров отслоений, которые возможно обнаружить при помощи данного метода, необходимые для установления границ применимости метода;
разработать методику статических испытаний, позволяющую исследовать напряженно-деформированное состояние железобетонных элементов, усиленных углепластиком до приложения нагрузки и в ходе нагружения после появления первых трещин и их инъецирования;
разработать методику записи термограмм в условиях статических испытаний усиленных углепластиком железобетонных элементов и алгоритм их обработки с оценкой месторасположения, границ и относительной площади дефектов-отслоений;
установить влияние усиления балок до приложения нагрузки и в ходе нагружения после появления первых трещин и их инъецирования на параметры отслоения углепластика и несущую способность элементов;
исследовать влияние параметров отслоения на напряженно-деформированное состояние и несущую способность усиленных углепластиком железобетонных элементов.
Научная новизна работы состоит в следующем:
Разработана математическая модель для описания изменений температуры в системе «углеродный холст - эпоксидная смола - бетон - отслоение - бетон», учитывающая специфику когезионного отслоения композита от бетонного основания.
Разработана методика записи и обработки термограмм, позволяющая выполнять раннее диагностирование дефектов-отслоений с минимальными размерами.
Экспериментально доказано влияние усиления балок до приложения нагрузки и
в ходе нагружения после появления первых трещин и их инъецирования на параметры отслоения углепластика и несущую способность элементов.
Впервые показано влияние параметров отслоения на напряженно-деформированное состояние и несущую способность усиленных углепластиком железобетонных элементов.
Теоретическая и практическая значимость работы:
Предложенная математическая модель позволила определить параметры инфракрасной съемки для регистрации отслоения углепластика толщиной 1 мм от бетонного основания (мощность нагрева 926 Вт/м2, длительность нагрева 9 с, оптимальное время наблюдения при остывании поверхности на 19 секунде после начала нагрева), позволяющие регистрировать отслоения толщиной до 1 мм, залегающих на глубине в бетоне до 2 мм.
Полученные закономерности изменения напряженно-деформированного состояния железобетонных балок, усиленных до приложения нагрузки и в ходе нагружения после появления первых трещин и их инъецирования, могут быть использованы при разработке мероприятий по усилению железобетонных элементов. Разработанная методика инфракрасной съемки может использоваться для регистрации когезионного отслоения, возникающего под действием нагрузки, при обследовании технического состояния и мониторинге усиленных композитом железобетонных изгибаемых элементов.
Впервые проведено сравнение параметров отслоения углепластика от бетонного основания и результатов статических испытаний для железобетонных балок, усиленных до приложения нагрузки и в ходе нагружения после появления первых трещин и их инъецирования. Для балок, усиленных до приложения нагрузки, отслоения углепластика начинается при деформации на 4–65% ниже, а относительная площадь отслоения увеличивается 2,1-2,3 раза по сравнению с балками, усиленными в ходе нагружения после появления первых трещин и их инъецирования. Несущая способность усиленных без нагрузки балок и усиленных в ходе нагружения после появления первых трещин и их инъецирования одинакова, относительная разность не превышает 10%.
Установлено, что начало отслоения соответствует относительному изгибающему моменту в балках 75%, а значит, отслоение не определяет предельное состояние усиленных балок, имеющих анкеровку углепластиковой ленты на опорах. Факт когезион-ного отслоения не снижает жесткость усиленной конструкции.
Результаты работы изложены в практических рекомендациях, использованных компанией «PGSCOM» (г. Екатеринбург) в качестве методической основы для работ по контролю качества приклеивания элементов внешнего армирования и периодического мониторинга усиленных железобетонных конструкций, что подтверждается прилагаемой к диссертации «Справкой о внедрении результатов диссертационной работы».
Полученные результаты и разработанная методика проведения экспериментальных работ на созданной установке используется в учебном процессе магистров кафедры СКиВМ ПНИПУ по дисциплине «Экспериментальные методы и мониторинг
технического состояния зданий и сооружений».
Методология и методы диссертационного исследования основаны на:
использовании методов экспериментальной механики, позволяющих выполнять регистрацию: осевых деформаций в поперечном сечении бетонной балки; осевых деформаций элементов стальной арматуры; трещинообразования в бетоне; процесса отслоения углепластика от бетона по различным сценариям;
использовании метода конечных элементов для решения краевых нестационарных задач теплопроводности с целью установления параметров инфракрасной съемки.
Положения, выносимые на защиту:
результаты математического моделирования изменений температуры в системе «углеродный холст - эпоксидная смола - бетон - отслоение - бетон», учитывающие специфику когезионного отслоения композита от бетонного основания;
результаты регистрации когезионного отслоения углепластика от бетонной поверхности методом инфракрасной термографии;
результаты обработки термограмм для получения площадей участков отслоения углепластика от поверхности бетона;
результаты статических испытаний железобетонных балок, усиленных до приложения нагрузки и в ходе нагружения после появления первых трещин и их инъецирования.
Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных результатов обеспечивается: корректной формулировкой начально-краевой задачи нестационарной теплопроводности и сравнением ее решения с результатами проведенных экспериментов, а также корректностью постановок осуществленных экспериментов и использованием прошедших метрологическую поверку измерительных приборов и испытательного оборудования.
Основные положения диссертационной работы доложены на всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы в строительстве» 2012 г., г. Новосибирск; на всероссийских молодежных конференциях аспирантов, молодых ученых и студентов «Современные технологии в строительстве. Теория и практика» 2013-2015 гг., г. Пермь; на международной конференции «XIX Зимняя школа по механике сплошных сред» 2015 г., г. Пермь; на 11-ом всероссийском съезде по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механике, 20-24 августа 2015 г., г. Казань; на международном симпозиуме «7th International symposium on defect and material mechanics» 2015 г., г. Бремен (Германия).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 работ, из них 8 в изданиях, включенных в Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, рекомендованных ВАК РФ, в том числе 3 статьи в журналах, входящих в международные базы цитирования Web of Science и Scopus.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы и 6 приложений. Текст изложен на 194 страницах, содержит 85 рисунков и 20 таблиц.
Экспериментальные исследования и методы расчета статической работы усиленных изгибаемых железобетонных элементов
Из-за указанных особенностей наполнителей однонаправленные композиты имеют резко выраженную анизотропию всех механических свойств: высокую прочность в направлении ориентации нитей основы, низкую прочность в транс-версальном направлении. Двунаправленные композиты являются, как правило, ортотропными. Влияние ориентации волокон наполнителя композита на его физические свойства нашло отражение в конструктивных решениях по усилению строительных конструкций. Так, однонаправленные композиты используются в случае, когда элемент усиления находится в состоянии одноосного растяжения от действия внешней нагрузки, двунаправленные композиты используются для восприятия плоского напряженного состояния в элементе усиления. Далее по тексту, если не уточняется, речь идет об однонаправленных композитах.
При усилении конструкций в качестве наполнителей для создания композита имеется опыт применения стеклянных (СВ), углеродных (УВ), органических или арамидных (АВ) и базальтовых волокон (БВ).
Наибольшее распространение получили УВ благодаря своей высокой химической и коррозионной стойкости к большинству агрессивных сред, а также высокой прочности и модулю Юнга. Композит на основе УВ (далее - углепластик) благодаря своей высокой жесткости обладает достаточно высокой длительной прочностью и низкой ползучестью по сравнению с материалами на других наполнителях.
Для создания полимерной матрицы композита в роли связующего часто выступает термореактивная эпоксидная смола, реже ненасыщенные полиэфирные смолы. Эпоксидные смолы являются наиболее распространенным видом связующего при усилении конструкций благодаря хорошей адгезии к большому числу наполнителей, широкому ассортименту и высоким химической стойкостью, механическим свойствам и устойчивостью к воздействию высоких температур и влаги [7]. Характеристики композита напрямую зависят от свойств наполнителя (волокна) и свойств связующего. Для однонаправленных композитов механические свойства связующего слабо влияют на прочность при растяжении, значительное воздействие оказывает качество пропитки наполнителя, объемное содержание наполнителя, монолитность композита.
До недавнего времени в России для усиления железобетонных конструкций применялись в основном холсты и связующее иностранного производства, в единичных случаях – холсты производства ООО «Аргон» и отечественные эпоксидные смолы. Далее выполнен обзор компаний и материалов усиления, представленных на российском рынке.
Компания ООО «Sika» (г. Лобня, Московская область) с 2003 г. является российским представителем и поставщиком продукции компании «Sika Schweiz AG» (Швейцария), которая разработала системы усиления ЖБК ткаными материалами и ламелями под названиями Sika Wrap System и Sika CarboDur System соответственно. На российском рынке представлены однонаправленные холсты на основе УВ под маркой SikaWrap, ламели на основе УВ под маркой Sika CarboDur и двухкомпонентное эпоксидное связующее под маркой Sikadur.
Компания ООО «БАСФ Строительные системы» (г. Москва) является представителем и поставщиком продукции компании «BASF» (Германия) в России. Компания поставляет систему усиления конструкций под названием MBrace. В ее состав входят материалы для ремонта и защиты конструкций, однонаправленные холсты под маркой Mbrace fib на основе УВ, СВ, АВ, двухкомпонентное эпоксидное связующее для холстов под маркой MBrace Adesivo Saturant, ламели под маркой Mbrace laminate на основе УВ, АВ, двухкомпонентное эпоксидное связующее для ламелей под маркой Mbrace Laminate Adesivo, стержни круглого сечения на основе УВ под маркой Mbrace bar для усиления конструкции путем вклеивания.
Компания ЗАО «Асока» (г. Москва) является дистрибьютором технологии и продукции по усилению конструкций компании S&P Clever Reinforcement Company (Швейцария). Наполнители для однонаправленных и двунаправленных композитов изготавливаются из волокон различных материалов, таких как углерод, стекло, арамид и полиэстер под маркой S&P sheet, эпоксидное связующее представлено под марками S&P Resin Epoxy 55 – двухкомпонентная эпоксидная смола. Также в ассортименте имеется паропроницаемая трехкомпонентная эпоксидная смола S&P Resicem, которая рекомендуется к использованию при полном покрытии (обертывании) ЖБК. Ламели на основе УВ представлены под маркой S&P Laminate, в качестве элементов анкеровки предложена система прижимных алюминиевых пластин.
Компания «MAPEI» (Италия), специализирующаяся на разработке и производстве материалов для ремонта и усиления ЖБК, имеет представительство в г. Москве. В ассортименте компании представлены однонаправленные холсты на основе УВ, СВ под маркой MapeWrap UNI-AX, эпоксидное связующее представлено под маркой Mapewrap, двунаправленные и пространственные сетки на основе УВ по марками Mapewrap BI-AX и Mapewrap QUADRI-AX соответственно, ламели на основе УВ под маркой Carboplate и концевые анкеры на основе УВ и СВ под маркой Mapewrap Flocco.
Компания «Gydrozo Ltd.» (г. Москва) является представителем и поставщиком продукции компании «Fife Co. LLC» (Калифорния), которая разработала систему усиления ЖБК под названием TyfoFibrWrap. Компания поставляет однонаправленные холсты и двунаправленные ткани из УВ, СВ, АВ под маркой Tyfo, эпоксидное связующее представлено под маркой Tyfo S, ламели, стержни на основе УВ и концевые анкеры на основе УВ и СВ под маркой Tyfo Anchors.
Российский рынок композитов, предназначенных для усиления строительных конструкций, сравнительно молодой. Производством однонаправленного холста на основе УВ, наиболее распространенного и поэтому востребованного на настоящее время материала для усиления железобетонных конструкций, занимаются всего две компании: ООО «Аргон» (г. Балаково) и ЗАО «Препрег-СКМ» (г. Климовск). В 2009 году обе компании вошли в структуру холдинговой компании «Композит». ООО «Аргон» производит продукцию на основе УВ с 1976 года. Продукция в основном предназначена для нужд военно-промышленного комплекса РФ. ЗАО «Препрег-СКМ» запустил первую очередь ткацкого производства холстов и тканей на основе УВ в конце 2011 года. Следует отметить, что в России только продукция ЗАО «Препрег-СКМ» под маркой FibARM позиционирована на рынке как предназначенная для внешнего армирования строительных конструкций. С 2015 г. производственные мощности ХК «Композит» увеличены за счет нового завода «Алабуга-Волокно» (республика Татарстан). Таким образом, можно говорить, что производство холстов и тканей на основе УВ, предназначенных для усиления строительных конструкций, представлено на рынке всего одной российской объединенной компанией – ХК «Композит». Выпуск специализированной продукции для внешнего армирования конструкций ведется с 2011 года.
Все компании, представляющие продукцию по усилению конструкций композитами, также имеют в ассортименте своей продукции защитные и ремонтные составы для обработки и защиты оголенной стальной арматуры, восстановления геометрии бетонной поверхности, составы для финишного покрытия композитов. Обзор физико-механических характеристик некоторых однонаправленных материалов на основе УВ и эпоксидных смол, представленных на рынке, приведен в таблицах 1 и 2 соответственно.
Определение теплофизических параметров элементов системы
Для математической модели выполнено назначение геометрических пара-метров элементов системы, а также осуществлен подбор неизвестных теплофизи-ческих параметров и мощности теплового импульса известной длительности. При этом анализировались результаты численного моделирования эволюции темпера-турного поля, формирующегося при отсутствии отслоения.
Для выполнения натурных измерений была подготовлена одна из балок основного эксперимента (описание изготовления образцов основного эксперимента приведено в 3 главе). Для компенсации флуктуаций коэффициента поглощения нижняя грань балки (бетон и углепластик) была окрашена в черный матовый цвет, см. рисунок 8. Балка была установлена на стенде для статических испытаний. Для нагрева использовали галогеновую лампу мощностью 3 кВт. Тепловой поток представлял собой прямоугольный во времени импульс длительностью 9 с. Реги-страция теплового потока осуществлялась тепловизором FLIR T620 в инфракрас-ном диапазоне электромагнитного излучения с длиной волны 7,5–14 мкм.
Технические характеристики тепловизора: разрешение кадра 640х480 пикселей; рабочий диапазон температур от минус 40 до плюс 150C; термочувстви-тельность 0,04С при 30С. Запись велась в видео-файл с частотой 20 кадров в секунду. Положение прибора и оборудования было выбрано так, чтобы в объектив можно было наблюдать участок бетона, не заклеенного углепластиком, и участок с углепластиком. В результате натурных измерений получены данные изменения температуры на поверхности углепластика, защищающего бетонную балку, и на незащищенной поверхности бетона при нагреве и охлаждении. Далее будем назы-вать такое изменение приращением температуры по отношению к начальной тем-пературе поверхности на каждом из упомянутых участков. Посредством сравне-ния экспериментальных и численных данных с последовательной корректировкой параметров математической модели подобраны такие теплофизические параметры элементов системы и величина мощности теплового импульса, которые обес-печивают среднюю разность между натурными и численными данными не более 0,13 С и максимальную разность не более 0,39 С. Варьирование параметров вы-полнено в некоторой окрестности их справочных величин. Описанная процедура приведения результатов численных расчетов в соответствие с экспериментальны-ми данными, по сути, позволили установить степень достоверности математиче-ской модели, описывающей нестационарные тепловые процессы на поверхности углепластика. Графическое представление результатов моделирования с учетом подобранных теплофизических параметров и полученных экспериментальных данных на этапе нагрева и охлаждения приведено на рисунках 9, 10. Рисунок 9 – Эволюция приращения Рисунок 10 – Эволюция приращения температуры на свободной поверхности температуры на свободной поверхности бетона при нагреве и охлаждении системы «углеродный холст – эпоксид-ная смола – бетон» при нагреве и охла-ждении
Элемент системы Удельная теплоемкость, Дж/(кгград) Теплопроводность, Вт/(мград) Плотность, кг/м3 Толщина, мм углеродный холст (1) 720 256 1600 ОД эпоксидная смола (2) 1300 0,17 1100 0,9 отслоившийся бетон (3) 710 0,63 2400 1 воздушная прослойка (4) 1000 0,026 1,225 0,05 бетон основания (5) 710 0,63 2400 параметры подобраны путем сопоставления результатов численного моделирования и экспериментальных данных; остальные параметры соответствуют справочным значениям [99], [133], [134], [135] и данным производителей материалов. толщина слоев принята в первом приближении.
Амплитуда теплового импульса длительностью 9 с, также установленная на основе анализа результатов численных экспериментов, составила 926 Вт/м2.
Принятая в первом приближении конфигурация дефекта: толщина воздушной прослойки и глубина ее заложения, указанные в таблице 3, имитирует дефект с минимальными размерами (начальное остлоение) и обусловлена размерами частиц песка, используемого в качестве заполнителя тяжелых бетонов по ГОСТ 8736-97. Минимальный установленный ГОСТ размер зерен 0,16 мм. Поскольку при отслоении происходит сдвиг холста вместе со слоем бетона по основному телу бетона то логично предположить, что при этом проскальзывании величина раскрытия отслоения (толщина отслоения) будет пропорциональна размеру частиц песка, которые оторвавшись от основного тела, будут прокатываться. В расчетах минимальная величина раскрытия отслоения задана равной 0,05 мм, чтобы гарантировать обнаружение всех дефектов с толщиной отслоения равной или большей минимального значения.
При помощи математической модели, достоверность которой была установлена на втором этапе, выполнили большой цикл численных экспериментов с учетом отслоения углепластика от бетона по когезионному сценарию. Цель этих экспериментов – установить изменение температурного отклика на поверхности углепластика в зависимости от размеров отслоения и от параметров внешнего теплового воздействия и определить наиболее рациональные параметры инфракрасной съемки, обеспечивающие регистрацию отслоения.
Численные эксперименты позволили установить временную зависимость приращения температуры на свободной поверхности углепластика в процессе нагрева и охлаждения в отсутствии отслоения и с отслоением (рисунок 11). Внешнее воздействие осуществлялось тепловым импульсом 926 Вт/м2 в течение 9 с. График 1 получен в отсутствие отслоения, а график 2 – при наличии отслоения в бетоне (толщина – 0,05 мм, глубина залегания– 1 мм). На рисунке 12 представлена зависимость изменения разницы приращений температур, представленных на рисунке 11.
Разница приращений температур на свободной поверхности (Т), представленная на рисунке 12, является информативным параметром, который будем называть температурным сигналом. Температурный сигнал не постоянен во времени. Время достижения максимума температурного сигнала, равное 19 с, определят наилучший момент для обнаружения начального отслоения и является оптимальным временем наблюдения тт. Величина максимума (АТт) характеризует чувствительность к обнаружению дефекта-отслоения. Отметим, что на этапе нагрева AT не превышает 0,1 С, тогда как при охлаждении его величина достигает 0,26 С. Таким образом, регистрацию температурного сигнала, свидетельствующего о наличии дефекта, целесообразно выполнять именно на этапе охлаждения
Исследование свойств стальной арматуры
Рассмотрим алгоритм обработки данных инфракрасной съемки, реализованный в среде Matlab, на примере балки Б2б-3, для которой съемка выполнена уже с учетом разработанных в разделе 3.3.2 положений. На рисунке 42 показаны панорамные первичные термограммы нижней поверхности балки для соответствующего этапа нагружения, выполненные на 19 секунде после начала нагрева. На термограммах видно, что места отслоений видны как «горячие» зоны. Это происходит из-за разных теплопроводностей воздуха и углепластика. То есть распространение тепла через углепластик в бетон и рассеивание происходят быстрее на участках без отслоений, чем на участках с последними, что и вызывает повышенную температуру дефектных участков. Как было описано в разделе 3.3.2, перед каждой инфракрасной съемкой выполнялась настройка диапазона измерения температур: в качестве нижнего порога задавали текущую температуру поверхности углепластика, в качестве верхнего – сумму нижнего порога и температуры 3 С. Таким образом, на первичных термограммах фиксировалось приращение температуры относительно начальной температуры поверхности в диапазоне 0-3 С.
По первичным термограммам даже в таком необработанном виде можно судить о появлении и развитии областей отслоения. Однако выделить границы областей сложно из-за различного уровня нагрева. Так, даже на «0» этапе, участки с повышенной температурой можно ошибочно принять за дефектные области. Для компенсации неравномерного нагрева от этапа к этапу выполнена нормализация всех первичных грузовых термограмм (№№ 30-53) в пределах одной стоянки на температуру условно-бездефектной точки. Рисунок 42 – Первичные термограммы нижней поверхности балки Для этого на термограмме «0» этапа для каждой стоянки выбрана некоторая условно-бездефектная точка с температурой Tnd (x0;y0) – точка, для которой отслоение не произойдет. Здесь и далее температура T(x;y) определяется как превыше-ние температуры над начальной температурой поверхности углепластика на 19 секунде после начала нагрева. Для всех грузовых термограмм в каждой точке вы-числена нормализованная температура Tdj (xi;yk) по следующей формуле: где индексы /, к определяет размеры термограммы по горизонтали и вертикали, индексу определяет номер этапа нагружения, Тф.(хг,ук) - нормализованная температура для7-ой термограммы в точке (xt;yk), Г.(х0;_у0) - первичная температура для7-ой термограммы в точке (х0;у0), Tnd(x0;y0) - первичная температура термограммы нулевого этапа (до начала нагружения) в точке (х0;у0), Т-(х ,ук) - первичная температура дляу-ой термограммы в точке (xt;yk), точка (х0,у0) - условно-бездефектная точка, для которой отслоение не произойдет на последнем перед разрушением балки этапе нагружения. Здесь и далее температура Т(х;у) определена как превышение температуры над начальной температурой поверхности углепластика на 19 секунде после начала нагрева.
Для термограмм любого этапа нормализованная температура Тф.(х0;у0) равна первичной температуре бездефектной точки Tnd (х0;у0).
На рисунке 43 показаны панорамные нормализованные термограммы нижней поверхности балки для соответствующего этапа нагружения. Для нормализованных термограмм характерно более равномерное распределение температуры для бездефектных участков от этапа к этапу в пределах одной стоянки.
Нормализованные термограммы нижней поверхности балки Определим в каждой точке термограммы «О» этапа температуру ГпДхг; ), эту температуру будем считать бездефектной. Аналогично для каждого 7-го этапа определим в этой же точке термограммы температуру Тф.(хг,ук). Тогда для каждого этапа нагружения в каждой точке термограммы можно вычислить величину текущего температурного контраста [99] в процентах по формуле
Для «0» этапа текущий температурный контраст в каждой точке равен нулю. Данные текущего контраста (рисунок 44) в большей степени лишены «шумовых» эффектов. Границы областей отслоения проявлены четко. Попарно сравнивая данные соседних этапов, можно точно определить начало отслоения для конкретной области. Можно увидеть, что первые отслоения (участки 1-2) проявляются на 44 этапе.
Как видно на рисунке 44 для точек, отслоение которых не произошло, текущий контраст, тем не менее, не является постоянным. Рассмотрим статистическое распределение текущего контраста для бездефектных и дефектных областей. Для этого на каждом этапе визуально (с учетом попарного сравнения термограмм соседних этапов) выделим бездефектные и дефектные области. На каждом этапе запишем текущий контраст для каждого пикселя в один из рядов данных: С для бездефектных областей и С - для дефектных областей. Объединим ряды данных для бездефектных областей на каждом этапе в один общий ряд: С =УУ С] где р количество этапов нагружения. Частные ряды С для каждой балки объединим в один общий ряд, для которого выполним расчет статистик. Смысл объединения - учесть в статистических оценках распределения текущего контраста для бездефектной области неравномерность прогрева от стоянки к стоянке на одном этапе, от этапа к этапу для одной балки, от балки к балке для всех испытанных балок. Для общего ряда С, характеризующего бездефект 94 ную область, и рядов Сnr du jn , характеризующих дефектные области на каждом этапе нагружения, выполним оценку нормальности распределения по критерию согла-сия Пирсона 2, вычислим основные статистические характеристики. Для ряда CJ, среднее Crun = -4,8%, стандартное отклонение а = 10,9%. Для принятия решения о дефектности/бездефектности некоторой области будем использовать стратегию Неймана-Пирсона. Для этого установим вероятность ложного обнаружения дефекта Pfa. на уровне 0,1%, тогда пороговое значение текущего контраста будет равно zcr = С" + ЪапЛ = 27,9%
Результаты испытаний образцов группы Б1 серии «б»..
Зависимость деформаций углепластика от величины относительного изгибающего момента с учетом граничных характеристик начальной и явной стадий отслоения (обозначены заштрихованными прямоугольниками) для балок серии «б» и «в» приведена на рисунке 77.
Зависимость относительных деформаций углепластика f от величины относительного изгибающего момента
Относительный изгибающий момент определен как отношение текущего момента к среднему значению предельного для соответствующей серии и группы. Резкая неравномерность деформаций углепластика на участке между появлением первой трещины и появлением первого отслоения, заметного на инфракрасной съемке, для усиленных без нагрузки балок объясняется разной удаленностью тен-зодатчиков от места появления первой трещины. В отличие от усиленных без нагрузки балок, отслоение углепластика в усиленных под нагрузкой балок происходит почти сразу после образования первой трещины на 2-ом этапе нагружения. Кроме того, деформации углепластика в зоне чистого изгиба в усиленных без нагрузки балках на момент начала отслоения, заметного на инфракрасной съемке, распределены более равномерно. Тогда как показания тензодатчиков усиленных под нагрузкой балок имеют значительный разброс внутри зоны чистого изгиба. Это связано с тем, что в усиленных под нагрузкой балках отремонтированные эпоксидным ремонтным составом участки трещин, полученных на 1-ом этапе, обладают другими жесткостными характеристиками, чем бетон балки. Поэтому деформирование углепластика рядом с отремонтированными участками и вдалеке от них происходит неравномерно.
Зависимость ширины раскрытия трещин в бетоне от величины относительного изгибающего момента с учетом граничных характеристик начальной и явной стадий отслоения (обозначены заштрихованными прямоугольниками) для балок серии «б» и «в» приведена на рисунке 78. В целом можно видеть, что ширина раскрытия трещин линейно возрастает вплоть до разрушения. Для балок, усиленных под нагрузкой, значения ширины раскрытия трещин в бетоне демонстрируют бльший разброс по сравнению с балками, усиленными без нагрузки.
На рисунке 79 показана зависимость относительных деформаций углепластика по данным тензодатчиков, наиболее быстро реагировавших на трещинооб-разование, от ширины раскрытия трещин. Показания тензодатчиков приведены в соответствие с шириной наиболее близко расположенной к датчику трещины. Xs л Группа Б1 серия «б» Средний момент трещннообразования Появление начального отслоения
Видно, что зависимость относительных деформаций углепластика от ширины раскрытия трещин имеет линейный характер вплоть до разрушения. То есть ширина раскрытия трещины, как относительно легко измеряемая в условиях эксплуатации и технического обследования величина, может быть использована как индикатор величины осевых деформаций углепластика, величина которой в свою очередь предопределяет запас по несущей способности усиленной конструкции.
На рисунке 80 представлена зависимость максимального текущего контраста от величины относительного изгибающего момента с учетом граничных характеристик начальной и явной стадий отслоения (обозначены заштрихованными прямоугольниками) для балок серии «б» и «в». В среднем усиленные без нагрузки балки в предельном состоянии характеризуются максимальным текущим контрастом 100-150%, а усиленные под нагрузкой балки – 120-220%.
На рисунке 81 представлена зависимость относительных деформаций углепластика от максимального текущего контраста с учетом порога бинаризации для балок серии «б» и «в». До некоторой величины деформаций в углепластике текущий контраст не превышает порог бинаризации – дефектов отслоения, заметных на инфракрасной съемке, нет. После деформации в среднем 5500-6000 мкм/м дефекты отслоения появляются, а текущий контраст практически линейно увеличивается в среднем до 120-140% для балок обеих серий. Для некоторых балок после достижения деформаций углепластика в среднем 7000-8000 мкм/м текущий контраст больше не увеличивается, а колеблется около среднего значения. Эти колебания провоцируются неравномерностью нагрева.
Зависимости максимальной ширины раскрытия трещин acrc,max, деформаций углепластика f и относительного изгибающего момента от величины относительной площади отслоения S приведены на рисунке 82, 83, 84 соответственно. Представленные зависимости близки к линейным, но обладают значительными значениями относительной разности в пределах серии.
В таблице 18 приведено сравнение бинарных карт дефектов и относительной площади отслоения для разных образцов при уровне деформаций углепластика в среднем 10300 мкм/м. Для балок Б1в-2, Б2в-1 и Б2в-2 выписанные данные соответствуют последней ступени, на которой выполнялась инфракрасная съемка.