ΜΗ ΚΑΤΑΣΤΡΟΦΙΚΟΙ ΕΛΕΓΧΟΙ

Transcript

1 ΜΗ ΚΑΤΑΣΤΡΟΦΙΚΟΙ ΕΛΕΓΧΟΙ 1. Γενικά 2. Μέθοδοι 3. Ερμηνεία των αποτελεσμάτων 1. ΓΕΝΙΚΑ Οι έλεγχοι που πραγματοποιούνται για την αξιολόγηση των υλικών διακρίνονται σε: καταστροφικούς (ΚΕ) μη καταστροφικούς (ΜΚΕ) Στην πρώτη κατηγορία ανήκουν οι μέθοδοι εκείνες που καταστρέφουν το υλικό όταν εφαρμόζονται. Η δοκιμασία ενός δοκιμίου σε θλίψη έχει σαν αποτέλεσμα την παραμόρφωσή του και τελικά τη θραύση του. Συνήθως κατά τον έλεγχο μηχανικών ιδιοτήτων των υλικών χρησιμοποιούνται καταστροφικές μέθοδοι. Στη δεύτερη κατηγορία περιλαμβάνονται οι μέθοδοι εκείνες που δεν καταστρέφουν το υλικό κατά την εφαρμογή τους. Οι έλεγχοι αυτοί επιτρέπουν την ανίχνευση ατελειών κατασκευής. Τέτοιες ατέλειες μπορεί να είναι ρωγμές, ανομοιογένειες, πόροι ή εγκλείσματα αέρα κλπ. Τα τελευταία χρόνια οι μη καταστροφικοί έλεγχοι αναπτύχθηκαν ραγδαία και χρησιμοποιούνται στον έλεγχο κατασκευών και εγκαταστάσεων, όσο και στον ποιοτικό έλεγχο κομματιών που παράγονται σε σειρά παραγωγής. Με τους μη καταστρεπτικούς ελέγχους των δομικών υλικών αποτιμάται και η δράση των περιβαλλοντικών φορτίων στις κατασκευές. Η δυνατότητα που παρέχεται με τους ΜΚΕ για επί τόπου εξέταση των δομικών υλικών, καθιστά τη χρήση τους ιδιαίτερα αποτελεσματική και επομένως αποτελούν ένα καινοτόμο εργαλείο για την παρακολούθηση και τη διατήρηση των κατασκευών, καθώς και για τον έλεγχο της ποιότητάς τους. Οι μη καταστρεπτικές τεχνικές παρουσιάζουν αξιόλογες δυνατότητες ανίχνευσης διαφόρων τύπων ασυνεχειών στα υλικά, και μπορούν να αποκαλύψουν σημαντικές πληροφορίες σχετικά με το σχήμα, τη θέση και τον προσανατολισμό τους. Η γνώση τέτοιων δεδομένων, μπορεί να αποβεί καταλυτική στη λήψη αποφάσεων σχετικά με τη συνολική αποδοτικότητα των δομών. Η λήψη τέτοιων αποφάσεων γίνεται με βάση: πρότυπα που περιέχουν κριτήρια για την αποδοχή ή όχι των ελαττωμάτων. τη χρήση αναλυτικών τεχνικών στο εργαστήριο για αποτίμηση φυσικοχημικών και μηχανικών ιδιοτήτων. Οι ΜΚΕ σε σχέση με τις συμβατικές μεθόδους παρουσιάζουν πλεονεκτήματα όπως: δυνατότητα εξέτασης επί τόπου. διατήρηση της ακεραιότητας της εξεταζόμενης δομής. 1

2 γρήγορη καταγραφή των αποτελεσμάτων. Παροχή ποιοτικών και ποσοτικών αποτελεσμάτων. και μειονεκτήματα όπως: αδυναμίες σε εφαρμογές με πολύπλοκη δομή και χρήση διαφόρων υλικών. ειδικευμένο προσωπικό για την εφαρμογή τους. έλλειψη σχετικών προτύπων για την εφαρμογή τους που καθιστά την ερμηνεία των αποτελεσμάτων δύσκολη. Για όλους τους παραπάνω λόγους τις περισσότερες φορές είναι αποτελεσματικότερο να χρησιμοποιούνται οι μέθοδοι ΜΚΕ σε συνδυασμό με αναλυτικές μεθόδους στο εργαστήριο για περισσότερο ασφαλή συμπεράσματα και εκτιμήσεις. Η εκτίμηση των επιπτώσεων του περιβάλλοντος στα δομικά υλικά και τις κατασκευές αποτελεί χρήσιμο εργαλείο για τη συντήρηση των υπαρχόντων κατασκευών και την αύξηση του χρόνου ζωής τους, αλλά και τη διαχείριση και τον έλεγχο των κρίσιμων περιβαλλοντικών φορτίων. Ο ΜΚΕ των υλικών και των κατασκευών περιλαμβάνει μια σειρά από καινούργιες τεχνικές. 2. ΜΕΘΟΔΟΙ Άμεση οπτική παρατήρηση Δίδει άμεση εικόνα, χρησιμοποιείται κυρίως για εντοπισμό επιφανειακών ατελειών αλλά δεν είναι αξιόπιστη. Παρατήρηση με τη βοήθεια οπτικών μέσων Εφαρμόζεται σε περιπτώσεις που η άμεση οπτική παρατήρηση είναι δύσκολη. Για το λόγο αυτό χρησιμοποιούνται ειδικά όργανα τα ενδοσκόπια και μπορεί να είναι εύκαμπτα ή σταθερά. Στα όργανα αυτής της κατηγορίας μπορεί να συμπεριληφθούν και ειδικές, τηλεχειριζόμενες και τηλεκατευθυνόμενες βιντεοκάμερες, μικροσκόπια κλπ. Σήμερα, χάρις στην κατασκευή ισχυρών μικροσκοπίων, μπορούμε να παρατηρήσουμε ακόμη και τη δημιουργία των μικρορωγμών σε κρυσταλλικό επίπεδο. Με την προϋπόθεση λοιπόν ότι μια ρωγμή βρίσκεται στην επιφάνεια του υλικού και χρησιμοποιώντας την κατάλληλη οπτική συσκευή μπορούμε να την παρατηρήσουμε με μεγάλη ακρίβεια και να παρακολουθήσουμε τη διάδοσή της. Για τη διάγνωση της μορφολογίας της επιφάνειας των υλικών, αλλά και την κατάσταση της υγείας τους, η χρήση της μικροσκοπίας οπτικών ινών μπορεί να δώσει χρήσιμα συμπεράσματα. Με τη βοήθεια της τεχνικής αυτής μπορούν να αποτιμηθούν οι διαβρωτικές δράσεις περιβαλλοντικών φορτίων, όπως το αστικό περιβάλλον και το θαλάσσιο περιβάλλον στα υλικά και τις κατασκευές. Στην εικόνα 1 με τη βοήθεια της μικροσκοπίας οπτικών ινών φαίνεται ο σχηματισμός φαιόμαυρης κρούστας στους κίονες του Εθνικού Αρχαιολογικού Μουσείου λόγω της δράσης της ρυπασμένης ατμόσφαιρας. 2

3 Α Εικόνα 1: Α κτίριο Εθνικού Αρχαιολογικού Μουσείου Β μικροσκοπία οπτικών ινών μεγέθυνση Χ50 Β Αγωγοί υγρών και αερίων, αποχετεύσεις και αγωγοί όμβριων υδάτων μπορούν να εξεταστούν οπτικά στο εσωτερικό τους με τη χρήση βιντεοκάμερας η οποία εισάγεται και μετακινείται μέσα στον αγωγό. Με τον τρόπο αυτό ελέγχεται η κατάστασή τους χωρίς να χρειαστούν εκσκαφές ή διακοπή της παροχής. Ακουστικές μέθοδοι Οι ακουστικές τεχνικές περιλαμβάνουν τις υπερηχητικές μεθόδους, τη μέθοδο ηχούς πρόσκρουσης και τη μέθοδο ακουστικής εκπομπής. Η αρχές αυτών των μεθόδων βασίζονται στη διάδοση του ελαστικού κύματος στα στερεά. Η διάδοση του ήχου λαμβάνει χώρα στη μορφή διαμήκων και εγκαρσίων κυμάτων μέσα στα στερεά, και στη μορφή επιφανειακών κυμάτων ή κυμάτων Reyleigh (R) κατά μήκος της επιφάνειας. Οι ανομοιογένειες στο σκυρόδεμα προκαλούν διασκόρπιση των ηχητικών κυμάτων η οποία μπορεί να καταγραφεί και να ερμηνευτεί για την εξαγωγή πληροφόρησης σχετικά με το υλικό. Η τεχνική ηχούς πρόσκρουσης περιλαμβάνει τη μετάδοση ενός παροδικού παλμού μέσα στο σκυρόδεμα μέσω μιας μηχανικής πρόσκρουσης και την ανάλυση των καταγεγραμμένων κυμάτων που ανακλώνται στο σκυρόδεμα. Αυτή η τεχνική δεν χρησιμοποιείται για απεικόνιση εξαιτίας της μικρής τάξης μεγέθους της συχνότητας. Η μέθοδος είναι χρήσιμη για μια ταχεία προκαταρκτική εκτίμηση της περιοχής για τον εντοπισμό των ανωμαλιών. Στη συνεχεία αυτές οι ανωμαλίες μπορούν να απεικονιστούν με τη χρήση πιο ειδικών μεθόδων υπερηχητικής δοκιμής. Η τεχνική ακουστικής εκπομπής (ΑΕ) είναι μια τεχνική παθητικής κατάστασης απεικόνισης που επιτρέπει τη συνεχή εξέταση της κατασκευής ενώ αυτή είναι σε χρήση. Η ακουστική εκπομπή αναφέρεται στους παλμούς που οφείλονται στη μεταβολή της ενέργειας ελαστικής έντασης, που συμβαίνει στο υλικό τοπικά σαν αποτέλεσμα κάποιας παραμόρφωσης και θραύσης. Μέρος αυτής της ενέργειας διαδίδεται μέσω του υλικού, η οποία μπορεί να ανιχνευτεί από δέκτες υψηλής ευαισθησίας που είναι τοποθετημένοι στην επιφάνεια της κατασκευής. Η τεχνική ακουστικής εκπομπής δε χρησιμοποιείται για σκοπούς απεικόνισης, αλλά για σκοπούς εντοπισμού των ατελειών. Μία από τις ευρύτερα διαδεδομένες εφαρμογές της ΑΕ είναι ο εντοπισμός της θέσης του ελαττώματος ή της ατέλειας που παράγει τους παλμούς ΑΕ. Η τεχνική αυτή χρησιμοποιεί πολλούς 3

4 αισθητήρες υπερήχων (10-20). Οι αισθητήρες τοποθετούνται στην επιφάνεια του υπό εξέταση αντικειμένου σε απόσταση μεταξύ τους ώστε να καλύπτουν όλο το αντικείμενο. Η χρονική συσχέτιση των σημάτων τους επιτρέπει τον γεωμετρικό προσδιορισμό της θέσης της πηγής κάθε παλμού ΑΕ. Για ατέλειες που βρίσκονται σε ακτίνα περίπου 1 m από τους αισθητήρες, μπορεί να εντοπιστεί η θέση τους με ακρίβεια εκατοστού (1 cm). Τα κυριότερα προτερήματα της μεθόδου είναι ότι: μπορεί να καλύψει μεγάλες επιφάνειες και κατασκευές δείχνει ότι υπάρχουν ατέλειες που επεκτείνονται εντοπίζει τις ατέλειες, ακόμη και σε απρόσιτα σημεία μπορεί να χρησιμοποιηθεί ενώ η κατασκευή λειτουργεί Η μέθοδος έχει φυσικά και μειονεκτήματα όπως: δεν εκπέμπονται παλμοί ΑΕ από όλες τις ατέλειες του υλικού η απόδοσή της εξαρτάται από τη μέθοδο φόρτισης της κατασκευής και από την ύπαρξη θορύβου δεν καθορίζει το μέγεθος της ατέλειας δεν είναι ακόμη πλήρως τυποποιημένη. Υπέρηχοι Οι μηχανικές δονήσεις διαδίδονται μέσα από στερεά, υγρά και αέρια καθώς η δόνηση μεταφέρεται από το ένα σωματίδιο της ύλης στο διπλανό του. Όταν τα σωματίδια της ύλης ταλαντώνουν και η κίνησή τους είναι κανονική τότε μετριέται σε κύκλους ανά δευτερόλεπτο (Hz = sec -1 ). Όταν μάλιστα η συχνότητα της δόνησης είναι μεταξύ 10 και Hz, ο ήχος ακούγεται από το ανθρώπινο αυτί. Οι δονήσεις με συχνότητα πάνω από Hz οι «ήχοι» δεν ακούγονται και ονομάζονται υπέρηχοι (ultrasound ή ultrasonic). Τα ηχητικά κύματα δεν είναι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, αλλά είναι κύματα κίνησης παρόμοια με τα θαλάσσια κύματα. Τα κύματα των ήχων και υπερήχων διαδίδονται μέσα στα υλικά, υφίστανται απόσβεση και ανακλώνται, διαθλώνται ή σκεδάζονται όταν συναντούν εμπόδια ή ασυνέχειες, ανάλογα με τη συχνότητά τους. Την ιδιότητα αυτή τη χρησιμοποιούμε για να εντοπίσουμε τυχόν ατέλειες στο εσωτερικό ενός σώματος χωρίς να το τεμαχίσουμε (ΜΚΕ). Η λειτουργία της μεθόδου βασίζεται στην εκπομπή ενός παλμού υπερήχων μέσα στο υλικό και την καταγραφή των ανακλάσεων που επιστρέφουν. Ο παλμός υπερήχων δημιουργείται με την εφαρμογή ενός παλμού υψηλής τάσης σε ένα πιεζοηλεκτρικό δίσκο. Οι ανακλάσεις δονούν τον ίδιο ή άλλο πιεζοηλεκτρικό δίσκο ο οποίος τις μετατρέπει πάλι σε τάσεις. Κάθε επιφάνεια ανακλά μια ηχώ του παλμού, με πρώτη απ όλες την επιφάνεια στην οποία εφάπτεται ο δίσκος και τελευταία την απέναντι επιφάνεια του υλικού. Ανάμεσα στις δύο ανακλάσεις θα βρίσκεται η ηχώ από οποιοδήποτε ατέλεια υπάρχει μέσα στο υλικό και με εύρος που εξαρτάται από το μέγεθος κάθε ατέλειας (σχήμα 1). Με τη χρήση των υπερήχων υπολογίζεται συνήθως η ταχύτητα διάδοσης των υπερήχων σε διάφορα σημεία της κατασκευής. Οι ταχύτητες διάδοσης των υπερήχων σε διάφορα σημεία συγκρίνονται με τις τιμές ταχύτητας διάδοσης σε σύγχρονα σκυροδέματα. Τιμές χαμηλότερες αυτών που προσδιορίζονται για σύγχρονα σκυροδέματα υποδηλώνουν την ύπαρξη κενών, αλλά και ανομοιογένειας της δομής του σκυροδέματος που εξετάστηκε. 4

5 Η τεχνική των υπερήχων χρησιμοποιήθηκε με επιτυχία στην ανίχνευση ατελειών σε χυτά μέταλλα και υπήρξε ο πρώτος ΜΚΕ που αναπτύχθηκε για έλεγχο του σκυροδέματος. Εν τούτοις είναι πολύ λιγότερο πρακτική μέθοδος για σκυρόδεμα, λίθινες κατασκευές και τοιχοποιία, που παρουσιάζουν εντονότερα χαρακτηριστικά απόσβεσης και ως εκ τούτου υψηλότερες συχνότητες υπερήχων απαιτούνται για μεγαλύτερη διείσδυση των υπερήχων στην κατασκευή. Επιπρόσθετα, τα πολλαπλά όρια των υλικών στα υλικά αυτά έχει ως αποτέλεσμα τη διάχυση των προσπιπτόντων και ανακλόμενων υπερηχητικών κυμάτων. Παρ όλα αυτά, η μέθοδος χρησιμοποιήθηκε με επιτυχία για εντοπισμό ατελειών στο σκυρόδεμα και έρευνα μικρών εστιών αστοχίας σε λιθοδομές και τοιχοποιίες. Σχήμα 1: Αρχή λειτουργίας ελέγχων με υπερήχους Η μέθοδος δεν χρησιμοποιείται πλέον για τους παραπάνω σκοπούς εξαιτίας των παρακάτω τεχνικών δυσκολιών: καλή επαφή μεταξύ των επιφανειών του δέκτη και του σκυροδέματος που συχνότατα είναι τραχειά. Διάχυση του υπερηχητικού κύματος εξαιτίας της ανομοιογένειας του υλικού. Η καλή επαφή μεταξύ των επιφανειών του δέκτη και του σκυροδέματος επιτυγχάνεται με χρήση λιπαντικού ή ειδικού gel, που όμως κάνει τη διαδικασία κίνησης των σημείων μέτρησης εξαιρετικά αργή. Σκέδαση των υπερηχητικών κυμάτων περιορίζει τη διάδοση διαμέσου του υλικού και οδηγεί περίπλοκο σύστημα ανακλόμενων κυμάτων. Το γεγονός αυτό καθιστά δύσκολη την ανίχνευση ατελειών σε θόρυβο. Περαιτέρω εξέλιξη της τεχνικής υπερήχων περιλαμβάνει βελτιώσεις στην παραγωγή σήματος, ανίχνευσης και επεξεργασίας δεδομένων που μπορεί να οδηγήσουν σε ένα πρακτικό εργαλείο εάν ξεπεραστούν τα προβλήματα που περιγράφηκαν παραπάνω. 5

6 Μέθοδοι Ακουστικής Πρόσκρουσης (Acoustic Impact) Η μέθοδος αυτή έρχεται από τα πρώτα χρόνια του σιδηροδρόμου όταν, οι ελεγκτές των οχημάτων, χτυπούσαν με σφυριά τους τροχούς του τραίνου για να διαπιστώσουν από τον ήχο τυχόν βλάβες. Σήμερα το «χτύπημα» έχει τυποποιηθεί και αυτοματοποιηθεί και ο ήχος αναλύεται ηλεκτρονικά ώστε να εξαχθούν οι χρήσιμες πληροφορίες. Στον τομέα των δομικών υλικών η μέθοδος χρησιμοποιείται για μέτρηση του πάχους του σκυροδέματος και εντοπισμού ατελειών από την επιφάνεια. Η μέθοδος εκτελείται από σημείο σε σημείο με τη χρήση ενός σφυριού που κτυπά την επιφάνεια της κατασκευής και ενός επιταχυνσίμετρου που τοποθετείται δίπλα στο σημείο του κτυπήματος για καταγραφή της ανακλώμενης ενέργειας. Τα αποτελέσματα επεξεργάζονται με σειρές Fourier (FFT) και λαμβάνονται κορυφές καμπυλών που αντιστοιχούν στο πάχος της κατασκευής από σκυρόδεμα ή στο βάθος της ατέλειας στο σκυρόδεμα (σχήμα 2,3). Σχήμα 2: Αρχή λειτουργίας ακουστικής πρόσκρουσης Σχήμα 3: Φάσμα συχνοτήτων ακουστικής πρόσκρουσης Υπάρχει μια σειρά τεχνικών που βασίζονται στην ίδια αρχή όπως είναι: η ηχητική μέθοδος (sonic), η ακουστική μέθοδος (acoustic), η μέθοδος μηχανικής εμπέδησης (mechanical impedance), και, η μέθοδος των δονήσεων (vibration). Ραδιογραφία Η ραδιογραφία είναι μια από τις πιο πρόσφατες τεχνικές ΜΚΕ η οποία χρησιμοποιείται για τη λήψη μιας εικόνας ανακλώμενου ειδώλου με τη χρήση ακτινοβολίας εισχώρησης, όπως ακτίνες Χ ή γ παραγόμενες από ηλεκτρικές 6

7 λυχνίες ακτίνων Χ ή ραδιενεργά ισότοπα, αντίστοιχα. Οι ακτίνες Χ και γ είναι μορφές ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, όπως το ορατό φως και τα μικροκύματα, αλλά το μήκος κύματος τους είναι τόσο μικρό που μπορούν να εισχωρήσουν σε όλα τα υλικά με κάποια απορρόφηση και διασκόρπιση κατά τη διάρκεια της μετάδοσης. Οι ακτίνες Χ παράγονται όταν μια δέσμη ηλεκτρονίων εισβάλλει σε ένα στερεό στόχο, και οι ακτίνες γ είναι ακτίνες Χ υψηλής ενέργειας εκπεμπόμενες από την αποσύνθεση ενός ραδιενεργού ισότοπου. Αυτές οι ακτίνες διαδίδονται μέσω του υλικού κατά μήκος ευθειών διαδρομών χωρίς καμιά σημαντική διάθλαση. Η ένταση της δέσμης μέσα στο υλικό μειώνεται εκθετικά βάση της ακόλουθης σχέσης: I = I o exp[- μ(x,y,z)dl] οπού Ιο είναι η ένταση της προσπίπτουσας δέσμης μ(x,y,z) είναι ο συντελεστής εξασθένισης του υλικού σαν συνάρτηση των χωρικών συντεταγμένων L είναι το μήκος της διαδρομής μέσα στο υλικό. Οι εκπεμφθείσες ακτίνες προσκρούουν στον ανιχνευτή που είναι γενικά ένα φωτογραφικό φίλμ και το εκθέτουν με τον ίδιο τρόπο όπως εκτίθεται το φίλμ μιας κάμερας. Η εικόνα που λαμβάνεται είναι στη μορφή μιας διδιάστατης προβολής η οποία παρέχει πληροφορίες σχετικά με τα φυσικά χαρακτηριστικά του σκυροδέματος, όπως η πυκνότητα, η σύνθεση και για ατέλειες μέσω του βαθμού εξασθένισης. Πάντως, η εικόνα δεν παρέχει καμιά πληροφόρηση σχετικά με το βάθος των ατελειών μέσα στο υλικό. Οι μέθοδοι των ακτίνων Χ και γ είναι ικανές να παράγουν ακριβείς δισδιάστατες εικόνες του εσωτερικού του σκυροδέματος. Πάντως, η χρήση τους στη δοκιμή του σκυροδέματος είναι γενικά περιορισμένη εξαιτίας του υψηλού αρχικού κόστους, της σχετικά χαμηλής ταχύτητας, του βαρέος και ακριβού εξοπλισμού, της ανάγκης για εκτεταμένες προφυλάξεις ασφαλείας και τους πολύ καλά εκπαιδευμένους χειριστές, και ίσως το πιο σημαντικό από όλα, την απαίτηση για πρόσβαση και στις δυο πλευρές της κατασκευής. Το σχήμα 4 δείχνει τη διάταξη της μεθόδου της ραδιογραφίας. Για δεδομένα σχετικά με τη 3η διάσταση απαιτούνται δυο αποτυπώσεις από διαφορετική γωνία γα να δημιουργηθεί μια στερεοσκοπική εικόνα του υλικού. Σχήμα 4: Ραδιογραφική μέθοδος Η μέθοδος είναι αποτελεσματική στην περίπτωση που υπάρχουν διαφορές πυκνότητας λόγω ύπαρξης διαφορετικών υλικών (οπλισμός σκυρόδεμα) ή ύπαρξης πόρων ή εγκλεισμάτων στην κατασκευή 7

8 Η ψηφιακή ραδιογραφία - τομογραφία είναι ένα σύνολο από ραδιογραφίες που αποτυπώνονται ψηφιακά και επεξεργάζονται με Η/Υ. Αντί του ραδιογραφικού φιλμ, κάθε ραδιογραφία αποτυπώνεται σαν ψηφιακή πληροφορία μετατρέποντας τη φωτεινότητα κάθε κόκκου του φιλμ σε bytes. Για να δημιουργηθεί η 3-διάστατη τομογραφία συνθέτουμε δεκάδες ψηφιακές ραδιογραφίες. Κάθε ραδιογραφία έχει ληφθεί από διαφορετικό σημείο, είτε περιστρέφοντας το αντικείμενο είτε περιστρέφοντας τη συσκευή ραδιογραφίας. Η σύνθεση γίνεται από τα πρόγραμμα του Η/Υ που ελέγχει τη συσκευή και γνωρίζει ακριβώς τις θέσεις και τις γωνίες λήψης των εικόνων. Στο σχήμα 5 δίδονται οι δύο τρόποι τομογραφίας Σχήμα 5:τομογραφία με περιστροφή της πηγής (αριστερά), του αντικειμένου (δεξιά) Μέθοδος Ραντάρ Η τεχνική του ραντάρ, που είναι γνωστή και ως μέθοδος ραντάρ εδαφικής εισχώρησης (GPR-Ground Penetrating Radar) έχει χρησιμοποιηθεί εκτενώς σε γεωφυσικές εφαρμογές από το 1960 για τον καθορισμό του πάχους παγετού, για την εύρεση αποθεμάτων πετρελαίου, για τον εντοπισμό γραμμών οχετού, θαμμένα αντικείμενα, για την αποτίμηση του προφίλ του πυθμένα λιμνών και ποταμών και γενικά για τον υποεπιφάνειο χαρακτηρισμό σε διαφορές περιπτώσεις. Οι εφαρμογές πολιτικού μηχανικού της τεχνικής του ραντάρ περιέχουν επιθεώρηση καταστρωμάτων οδών ταχείας κυκλοφορίας και γεφυρών, ανίχνευση κοιλοτήτων πίσω από τις εσωτερικές επενδύσεις σκυροδέματος σε σήραγγες και την ανίχνευση και ποσοτικοποίηση του τοπικού τριψίματος γύρω από τις βάσεις γεφυρών. Οι εφαρμογές της μεθόδου ραντάρ σε κατασκευαστικά στοιχεία σκυροδέματος, όπως δοκοί, υποστυλώματα και τοιχία είναι ακόμη σε πρώιμο στάδιο. Η αρχή της μεθόδου ραντάρ είναι η παραγωγή και η εκπομπή βραχέων ηλεκτρομαγνητικών παλμών ή κυμάτων αρμονικών με το χρόνο μέσω ενός πομπού προς ένα δοκίμιο-στόχο και η καταγραφή των διασκορπισμένων σημάτων στο δέκτη. Η διάδοση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων στον 8

9 ελεύθερο χώρο και σε οποιοδήποτε μέσο, μπορεί να περιγραφεί από μια ομάδα διπλών εξισώσεων που ονομάζονται σπείρα του Maxwell και εξισώσεις απόκλισης. Ενσωματώνοντας τις ηλεκτρομαγνητικές ιδιότητες του υλικού και τις κατάλληλες οριακές συνθήκες, μπορεί να ληφθεί μια μοναδική λύση του προβλήματος με τη χρήση των εξισώσεων της σπείρας του Maxwell. Όταν τα εκπεμπόμενα ηλεκτρομαγνητικά κύματα συγκρούονται σε ένα αντικείμενο ή άλλο δείγμα με διαφορετικές ηλεκτρομαγνητικές ιδιότητες, ένα μέρος της εκπεμπόμενης ενέργειας ανακλάται από το όριο και το υπόλοιπο μεταφέρεται στο νέο δείγμα υπομένοντας κάποια διάθλαση ανάλογα με τις ιδιότητες του υλικού του νέου δείγματος και τη γωνία πρόσκρουσης. Έτσι, τα διασκορπισμένα σήματα που καταγράφτηκαν από τον δέκτη περιέχουν κάποιες πληροφορίες σχετικά με τις ηλεκτρομαγνητικές ιδιότητες του υλικού που μπορούν να εξαχθούν εξελίσσοντας και ερμηνεύοντας τα καταγεγραμμένα σήματα. Τα διασκορπισμένα σήματα μπορούν να αποκτηθούν είτε με αμφιστατικό στήσιμο, όπου ο πομπός και ο δέκτης είναι δυο ξεχωριστές συσκευές, είτε με μονοστατικό στήσιμο, οπού ο πομπός και ο δέκτης συμπίπτουν. Τα δεδομένα που πάρθηκαν κινώντας το σημείο παρατήρησης εντός ενός καθορισμένου ανοίγματος είτε με μονοστατικό είτε με αμφιστατικό τρόπο, μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανακατασκευή χωρικών εικόνων του στόχου μέσω αλγορίθμων απεικόνισης. Η μέθοδος ραντάρ φαίνεται στο σχήμα 6. Σχήμα 6. Μέθοδος ραντάρ (ραντάρ εδαφικής εισχώρησης) Υπέρυθρη θερμογραφία Οι υπέρυθρες (IR) τεχνικές χρησιμοποιούνται σε εφαρμογές του στρατού στη μη καταστροφική εξέταση των υλικών και σε ιατρικές διαγνώσεις. Εντός κάποιων περιορισμών, η υπέρυθρη θερμογραφία είναι μια μέθοδος που εφαρμόζεται εξ `αποστάσεως, έχει σχετικά χαμηλό κόστος και έχει τη δυνατότητα ποιοτικής ή ποσοτικής πληροφόρησης. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον εντοπισμό και τον καθορισμό του μεγέθους των κενών, των διαχωρισμών σε στρώσεις και τις αποκολλήσεις στο οπλισμένο σκυρόδεμα. Οι εφαρμογές αυτής της μεθόδου σε θέματα πολιτικού μηχανικού περιλαμβάνουν τη θερμογραφία γεφυρών και οδών ταχείας κυκλοφορίας, ασφαλτικών καταστρωμάτων, συστημάτων αποχέτευσης, σωλήνων οχετού, κανάλια όμβριων και εσωτερική και εξωτερική θερμογραφία σε κτίρια Η υπέρυθρη θερμογραφία βασίζεται στην αρχή ότι οι υποεπιφάνειες ανωμαλίες στο υλικό επιτελούν σε τοπικές διαφορές στην επιφανειακή θερμοκρασία προκαλούμενες από τους 9

10 διαφορετικούς βαθμούς θερμικής μεταφοράς στις ζώνες που υπάρχουν ατέλειες. Η θερμογραφία ανιχνεύει αυτομάτως την εκπομπή της θερμικής ακτινοβολίας από την επιφάνεια του υλικού και παράγει μια οπτική εικόνα από το θερμικό σήμα η οποία μπορεί να συσχετιστεί με το μέγεθος της εσωτερικής ατέλειας. Οι περισσότερες εφαρμογές της υπέρυθρης θερμογραφίας χρησιμοποιούν μια υπέρυθρη κάμερα συνδεδεμένη με ένα υπέρυθρο ανιχνευτή που απεικονίζει τις διαφορές θερμικής ακτινοβολίας. Η θερμογραφική απεικόνιση μπορεί να περιλαμβάνει ενεργές ή παθητικές πηγές, όπως θερμική πηγή ή ηλιακή ακτινοβολία. Η μεταφορά θερμότητας λαμβάνει χώρα με τρεις τρόπους που ονομάζονται αγωγιμότητα, μεταγωγή και ακτινοβολία. Ο τρόπος που ενδιαφέρει στις εφαρμογές πολιτικού μηχανικού από την άποψη της μη καταστροφικής εξέτασης είναι η ακτινοβολία, καθώς οι IR κάμερες ανιχνεύουν την ακτινοβολούμενη θερμότητα. Πάντως, οι άλλοι τρόποι πρέπει να γίνουν κατανοητοί για την αποτίμηση των περιορισμών της IR θερμογραφίας. Όλα τα υλικά σε μια θερμοκρασία πάνω από το απόλυτο μηδέν εκπέμπουν συνεχώς ενεργεία και η ενέργεια που εκπέμπεται έτσι, ονομαζόμενη θερμική ακτινοβολία, μεταδίδεται στο χώρο στη μορφή ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων. Τα υπέρυθρα κύματα αποτελούν ένα μέρος του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, όπως τα μικροκύματα ή οι ακτίνες Χ. Ο ρυθμός εκπομπής ενέργειας, Φ, ανά μονάδα επιφανειακής περιοχής του υλικού σχετίζεται με την τέταρτη δύναμη της απόλυτης θερμοκρασίας του, Τ, με βάση το νόμο των Stefan-Boltzmann : Φ = εστ 4 όπου σ είναι η σταθερά Stefan-Boltzmann και ε η εκπεμπτικότητα του υλικού. Αν κάποια ποσότητα ενέργειας εισαχθεί σε μια δοσμένη θέση του υλικού, η ενέργεια που δίνεται στο σύστημα θα διαχυθεί βαθμιαία σε όλο το υλικό. Αυτός ο μηχανισμός μεταφοράς ενέργειας ονομάζεται αγωγιμότητα. Η σημασία της αγωγιμότητας στις εφαρμογές υπέρυθρης θερμογραφίας σε θέματα πολιτικού μηχανικού είναι ότι αν οι ατέλειες βρίσκονται βαθειά μέσα στο σκυρόδεμα ή αν η διάμετρος τους είναι μικρή σε σχέση με το βάθος τους, η θερμική διαφορά στην επιφάνεια, οφειλόμενη στην αγωγιμότητα, θα είναι πολύ μικρή. Έτσι, τέτοιες ατέλειες μπορεί να μην ανιχνευτούν από την υπέρυθρη θερμογραφία. Μεταγωγή είναι ο τρόπος θερμικής μεταφοράς μεταξύ του υλικού και μιας ποσότητας ρευστού, σε μια θερμοκρασία διαφορετική από αυτή του υλικού, που ρέει κατά μήκος της επιφάνειας του υλικού. Η επιρροή της μεταγωγής στη μη καταστροφική εξέταση κατασκευών σκυροδέματος είναι σημαντική καθώς η πλειονότητα των μετρήσεων λαμβάνουν χώρα σε συνθήκες πεδίου. Αν η ταχύτητα του ανέμου είναι υψηλή κατά το χρόνο της μέτρησης, η μεταφορά θερμότητας οφειλόμενη στη μεταγωγή επηρεάζει τη θερμική ακτινοβόληση από την επιφάνεια του σκυροδέματος, δίνοντας εσφαλμένες εικόνες. Οι πιο κρίσιμες παράμετροι αποτίμησης που επηρεάζουν τις τεχνικές της υπέρυθρης θερμογραφίας είναι η ηλιακή ακτινοβολία, η επιφανειακή εκπομπή η ταχύτητα του ανέμου και η βροχή. Για την ποσοτική αποτίμηση κατασκευών σκυροδέματος, μπορούν να γίνουν διορθώσεις στα δεδομένα μετρήσεων λαμβάνοντας υπόψη τις επιρροές της εκπομπής, της ταχύτητας του ανέμου, της περιβάλλουσας θερμοκρασίας και της ακτινοβόλησης από τα περιβάλλοντα αντικείμενα. Ακόμα, οι αποτιμήσεις υπέρυθρης θερμογραφίας περιορίζονται σε συγκεκριμένες καιρικές συνθήκες. Μέχρι να ποσοτικοποιηθούν αυτές οι επιρροές στις εφαρμογές πεδίου, ώστε να διορθωθούν οι απεικονίσεις των υπέρυθρων 10

11 καμερών, καλύτερο είναι οι έλεγχοι να γίνονται υπό καιρικές συνθήκες που δε θα επηρεάζουν τα αποτελέσματα της αποτίμησης. Ένας άλλος περιορισμός της IR θερμογραφίας είναι ότι δεν παράσχει πληροφόρηση σχετικά με το βάθος των ατελειών, καθώς αυτή απεικονίζει την ακτινοβόληση από την επιφάνεια του σκυροδέματος. Για τη διόρθωση αυτής της αδυναμίας, μπορεί να συνδυαστεί με το ραντάρ εδαφικής εισχώρησης. Στο σχήμα 7 δίνεται μια σχηματική παράσταση αυτής της μεθόδου. Σχήμα 7. Μέθοδος υπέρυθρης θερμογραφίας Εφαρμογές σε θέματα θερμομόνωσης Όσον αφορά τα θέματα θερμομόνωσης, η μέθοδος της υπέρυθρης θερμογραφίας είναι ένα πολύ χρήσιμο εργαλείο στα χεριά του πολιτικού μηχανικού. Πολλά κτίρια κατά την κατασκευή ή τη διάρκεια ζωής τους παρουσιάζουν προβλήματα στη θερμομόνωση τους. Τα προβλήματα αυτά οφείλονται, κυρίως, σε μικρά κενά στις ενώσεις των κατασκευαστικών μελών μεταξύ τους αλλά και με τους τοίχους πλήρωσης και σε προβλήματα στη θερμομόνωση. Το κύριο πρόβλημα που συναντάται στη θερμομόνωση είναι η παρουσία υγρασίας. Στο σχήμα 8 παρουσιάζεται μια σχηματική παράσταση του μηχανισμού απώλειας θερμότητας. Σχήμα 8 :Μηχανισμός απώλειας θερμότητας 11

12 Η υπέρυθρη θερμογραφία έχει την ικανότητα να εντοπίζει τις περιοχές από τις οποίες διαφεύγει η θερμότητα. Στο σχήμα 9 με πράσινο χρώμα φαίνεται η περιοχή που δεν έχει τοποθετηθεί θερμομόνωση στον εξωτερικό τοίχο μιας κατοικίας. Σχήμα 9: Ανίχνευση απουσίας θερμομόνωσης σε εξωτερικό τοίχο Μια ακόμη χρήση της υπέρυθρης θερμογραφίας είναι η ανίχνευση υγρασίας σε ταράτσες κτιρίων. Η υγρασία μπορεί να προκαλέσει προβλήματα στη θερμομόνωση, ενώ σε κάποιες περιπτώσεις και πτώση του κατασκευαστικού μέλους. Με την υπέρυθρη θερμογραφία οι περιοχές υγρασίας εντοπίζονται και αποκαθίστανται. Στο σχήμα 10 παρουσιάζεται η υπέρυθρη απεικόνιση μιας ταράτσας. Στο σχήμα 11 φαίνονται οι περιοχές που βρέθηκαν να έχουν υγρασία. Σχήμα 10: Υπέρυθρη απεικόνιση ταράτσας 12

13 Σχήμα 11: Σημείωση των υγρών περιοχών στην ταράτσα του σχήματος 10 Αποτίμηση συμπεριφοράς τοιχοποιίας σε φαινόμενα μεταφοράς μάζας (υγρασία) Η υγρασία αποτελεί έναν από τους κυριότερους παράγοντες φθοράς των δομικών υλικών. Η δυνατότητα ανίχνευσής της, αλλά και κατανομής της υγρασίας επί τόπου μπορεί να γίνει με τη χρήση της θερμογραφίας υπερύθρου. Στη συνέχεια αναφέρεται ένα χαρακτηριστικό παράδειγμα που αφορά ανίχνευση υγρασίας σε μια ιστορική τοιχοποιία με χρήση υπέρυθρης θερμογραφίας. Παρατηρώντας το θερμογράφημα (εικόνα 2Β) σε ένα τμήμα της τοιχοποιίας (εικόνα 2Α), διακρίνεται ότι στο κομμάτι της τοιχοποιίας που είναι σε επαφή με το έδαφος, παρατηρούνται χαμηλότερες θερμοκρασίες, υποδηλώνοντας πιθανότατα την παρουσία μεγαλύτερου ποσοστού υγρασίας, λόγω μεταφοράς της από το έδαφος στην τοιχοποιία μέσω τριχοειδών πόρων. Α Β Εικόνα 2: Α Τμήμα τοιχοποιίας Β Θερμογράφημα τμήματος Επίσης η χαρτογράφηση των διαφόρων θερμοκρασιών στην επιφάνεια περιγράφει πιθανούς τρόπους διακίνησης της υγρασίας στην τοιχοποιία. Για παράδειγμα παρατηρούνται χαμηλότερες θερμοκρασίες στους αρμούς, υποδηλώνοντας την αναρρίχηση της υγρασίας στην τοιχοποιία μέσω των κονιαμάτων του αρμολογήματος. 13

14 Έλεγχος ποιότητας κατασκευών από ασφαλτοσκυρόδεμα Ο έλεγχος ποιότητας ασφαλτοστρωμάτων παρουσιάζει τρομερό ενδιαφέρον και γίνεται με συνδυαστική χρήση θερμογραφίας υπερύθρου και συστήματος ραντάρ. Η μεθοδολογία αυτή επιτρέπει τη σάρωση μεγάλων επιφανειών. Ως παράδειγμα αναφέρεται η διάγνωση της κατάστασης και της φθοράς του οδοστρώματος διαδρόμου από/προσγείωσης. Στο θερμογράφημα 3Α οι περιοχές με υψηλότερες θερμοκρασίες αντιστοιχούν σε τμήματα του οδοστρώματος που παρουσιάζουν φθορά. Τα αποτελέσματα επιβεβαιώθηκαν με την εφαρμογή του συστήματος ραντάρ (εικόνα 3Β). Α Β Εικόνα 3: Α Θερμογράφημα οδοστρώματος Β Αποτέλεσμα χρήσης ραντάρ στο οδόστρωμα 3. ΕΡΜΗΝΕΙΑ ΤΩΝ ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΩΝ Τα αποτελέσματα οποιασδήποτε μεθόδου ΜΚΕ θα πρέπει, σε τελική ανάλυση, να ερμηνευτούν σωστά ώστε να αποφασιστεί η καταλληλότητα ή μη της κατασκευής που ελέγχθηκε. Παρόλο που η απόφαση αυτή πρέπει να βασιστεί και σε πολλές άλλες πληροφορίες που αφορούν τη σχεδίασή της, τα υλικά, την ηλικία, κλπ., τα οποία είναι αρμοδιότητα του σχεδιαστή, με τα χρόνια διαπιστώθηκε ότι η ερμηνεία των αποτελεσμάτων των ΜΚΕ είναι αρμοδιότητα των ειδικών της κάθε μεθόδου ΜΚΕ. Οι πρώτοι κώδικες αποδοχής συντάχθηκαν για τους ραδιογραφικούς ελέγχους καθώς είναι ή παλαιότερη μέθοδος εντοπισμού ατελειών μέσα σε υλικό. Στη ραδιογραφία εντοπίζεται εύκολα το μήκος και το πλάτος του ελαττώματος, αλλά η εκτίμηση της τρίτης διάστασης, που συχνά είναι σημαντικότερη των άλλων δυο, βασίζεται στην εμπειρία του ειδικού. Παρόλο που η μέθοδος είναι η παλαιότερη και η πλέον κωδικοποιημένη, τα όρια και οι κώδικες αποδοχής συνεχώς αλλάζουν και βελτιώνονται με κάθε νέα πληροφορία και αποτελούν αντικείμενο συζητήσεων ακόμα και αντιθέσεων. Μια άλλη μέθοδος που διαθέτει αρκετές τυποποιήσεις είναι η μέθοδος των Υπερήχων. Η κατάσταση εδώ είναι πολύ πιο σύνθετη. Υπάρχουν τρεις κατηγορίες ελέγχου Ι, ΙΙ, & ΙΙΙ με την ΙΙΙ να είναι η πιο αυστηρή. Ο εξοπλισμός πρέπει να είναι άριστα ρυθμισμένος και ο χειριστής έμπειρος ώστε να διακρίνει σωστά τις ενδείξεις των ατελειών. Σε κάθε τεχνική ΜΚΕ υπάρχουν τυχαία και συστηματικά σφάλματα. Τα συστηματικά σφάλματα είναι τα κυριότερα και οφείλονται κυρίως στους 14

15 περιορισμούς της κάθε μεθόδου σε αντίθεση με τα τυχαία σφάλματα που είναι οι μικροδιαφορές που παρατηρούνται όταν μετρηθεί πολλές φορές η ίδια ατέλεια. Οι βασικές αιτίες των συστηματικών σφαλμάτων κάθε μεθόδου και οι τρόποι βελτίωσής τους αποτελούν αντικείμενο σημαντικής έρευνας στο τομέα των ΜΚΕ. 15

16 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 1. D.M McCann and M.C. Forde Review of NDT methods in the assessment of concrete and masonry structures NDT & E International, Vol. 34, Issue 2, March 2001, pages Corresponding author. Tel.: ; fax: Ch. Maierhofer et al. Quantitative impulse-thermography as nondestructive testing method in civil engineering Experimental results and numerical simulations Construction and Building Materials, Vol. 19, Issue 10, December 2005, Pages Ν Δ. Δερμιτζάκης Υπέρυθρη θερμογραφία ως εργαλείο μη καταστροφικού ελέγχου σε θέματα ενδιαφέροντος πολιτικού μηχανικού, Διπλωματική εργασία, Παν. Πατρών, Α. Μοροπούλου κ.α. Αποτίμηση αειφορίας κατασκευών υποδομών με μη καταστρεπτικό έλεγχο, 1 ο Πανελλήνιο Συνέδριο Δομικών Υλικών και στοιχείων, ΤΕΕ, Αθήνα, Μαίου, Α. Γ. Κορωναίος, Γ. Φ. Σαργέντης Θερμογραφία ΕΜΠ, Δημοσιεύσεις Εργαστηρίου Τεχνικών Υλικών, Τεύχος 2, A. Ηolst, H. Wichmann, H. Budelmann Novel NDT-Techniques for Corrosion Monitoring and Fracture Detection of Prestressed Concrete Structures, NDTCE 09, Non-Destructive Testing in Civil Engineering Nantes, France, June 30th July 3rd, Κ. Τρέζος Αποτίμηση των ιδιοτήτων των υλικών σε υφιστάμενες κατασκευές,16ο Συνέδριο Σκυροδέματος Πάφος, Οκτώβριος Ralf Beutel Hans-Wolf Reinhardt Christian U. Grosse André Glaubitt Martin Krause Christiane Maierhofer Daniel Algernon HerbertWiggenhauser Martin Schickert Comparative Performance Tests and Validation of NDT Methods for Concrete Testing, J Nondestruct Eval (2008) 27: