ΥΠΕΡΥΘΡΗ ΘΕΡΜΟΓΡΑΦΙΑ ΩΣ ΕΡΓΑΛΕΙΟ ΜΗ ΚΑΤΑΣΤΡΟΦΙΚΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ ΣΕ ΘΕΜΑΤΑ ΕΝΔΙΑΦΕΡΟΝΤΟΣ ΠΟΛΙΤΙΚΟΥ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΠΟΛΥΤΕΧΝΙΚΗ ΣΧΟΛΗ ΤΜΗΜΑ ΠΟΛΙΤΙΚΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΥΠΕΡΥΘΡΗ ΘΕΡΜΟΓΡΑΦΙΑ ΩΣ ΕΡΓΑΛΕΙΟ ΜΗ ΚΑΤΑΣΤΡΟΦΙΚΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ ΣΕ ΘΕΜΑΤΑ ΕΝΔΙΑΦΕΡΟΝΤΟΣ ΠΟΛΙΤΙΚΟΥ ΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΔΙΠΛΩΜΑΤΙΚΗ ΕΡΓΑΣΙΑ ΝΙΚΟΛΑΟΥ Δ. ΔΕΡΜΙΤΖΑΚΗ ΠΑΤΡΑ 2006

2 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ Σελίδα ΕΙΣΑΓΩΓΗ 1 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1 ο Μέθοδοι Μη Καταστροφικού Ελέγχου Κατασκευών 1.1. Έλεγχος Κατασκευών Μέθοδοι Μη Καταστροφικής Αποτίμησης Ραδιογραφία Μηχανογραφημένη Ραδιενεργή Τομογραφία Μέθοδος Ραντάρ Ακουστικές Μέθοδοι Υπέρυθρη Θερμογραφία 12 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο Θεωρία Υπέρυθρης Θερμογραφίας Και 1 ο Εργαστηριακό Πείραμα Ποιοτικού Ελέγχου 2.1. Εισαγωγή Θεωρητικές Αρχές Υπέρυθρης Θερμογραφίας Παράμετροι Θερμικής Απόκρισης Πειραματική Διαμόρφωση Καθορισμός Της Εκπεμπτικότητας Υλικού Καθορισμός Της Θερμικής Ροής Διαδικασία Δοκιμής Υπέρυθρης Θερμογραφίας Αναλυτική Μοντελοποίηση Μοντέλα Προσομοιώσεις Σύγκριση Των Αποτελεσμάτων Συμπεράσματα 36 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3 ο Θεωρία Υπέρυθρης Θερμογραφίας Και 2 η Πειραματική Δοκιμή Ποιοτικού Ελέγχου 3.1. Εισαγωγή Δοκιμή Ποιοτικής Προσέγγισης Τύποι Απώλειας Συγκόλλησης 38

3 3.4. Πειραματικό Πρόγραμμα Κατασκευή Δοκιμίου Στήσιμο Δοκιμής Και Εγκατάσταση Οργάνων Πειραματικές Διαδικασίες Υπέρυθρη Επιθεώρηση Καμπτικές Δοκιμές Διατμητικές Δοκιμές Εξακρίβωση Ατελειών Αποτελέσματα Και Σχολιασμός Δοκιμές Φόρτισης Αποκόλληση Και Διαχωρισμός Σε Στρώσεις Ανάλυση Περιοχής Συμπεράσματα 62 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4 ο Εφαρμογές Υπέρυθρης Θερμογραφίας Σε Θέματα Ενδιαφέροντος Πολιτικού Μηχανικού 4.1. Εισαγωγή Έλεγχος Γέφυρας Σκυροδέματος Εισαγωγή Τεχνική Πειράματος Και Εξοπλισμός Αποτελέσματα Άνοιγμα Άνοιγμα Άνοιγμα Άνοιγμα 2, 1 και Βάθρο Σύνοψη Αποτελεσμάτων Έλεγχος Γέφυρας Φέρουσας Τοιχοποιίας Συμπεράσματα Εφαρμογές Σε Θέματα Θερμομόνωσης 77 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5 ο Συμπεράσματα 80 ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ 82

4

5 ΕΙΣΑΓΩΓΗ Είναι γενικώς αποδεκτό ότι η φροντίδα και η υποστήριξη των παλαιών κατασκευών σκυροδέματος ή λιθοσωμάτων είναι το θέμα-κλειδί του τρέχοντα αιώνα. Οι παλαιές αυτές κατασκευές είτε είναι απαρχαιωμένες είτε είναι λειτουργικά ανεπαρκείς, ενώ σε κάποιες άλλες περιπτώσεις έχουν υποστεί βλάβες, οπότε υπάρχει ανάγκη αντικατάστασης ή αποκατάστασης τους. Καθώς η αντικατάσταση, όμως, είναι πρακτικά αδύνατη, τίθεται θέμα αποκατάστασης της ήδη υπάρχουσας κατασκευής και σε πολλές περιπτώσεις και ενίσχυσης της. Εκτός των συμβατικών μεθόδων αποκατάστασης και ενίσχυσης, τα τελευταία χρονιά έχουν αναπτυχθεί νέες μέθοδοι ενίσχυσης, μια εκ των οποίων είναι αυτή που κάνει χρήση σύνθετων ίνο-οπλισμένων πολυμερών (FRP-Fiber Reinforced Plastics). Τα σύνθετα FRP πλεονεκτούν σε σχέση με τα συμβατικά υλικά σε αρκετά σημεία, όπως η μικρότερη διάβρωση από τις περιβαλλοντικές συνθήκες, πράγμα που αυξάνει το χρόνο ζωής τους και μειώνει την ανάγκη για τη συντήρηση τους. Ο κυριότερος, όμως, λόγος μελέτης τους αλλά και η ανάγκη για την εξέλιξη τους είναι η υψηλή αντοχή τους σε σχέση με το βάρος τους, γεγονός που τα κάνει πολύ πιο εύχρηστα. Ο πιο πρόσφορος τρόπος ελέγχου και αποτίμησης σε περιπτώσεις ενίσχυσης με σύνθετα FRP είναι με μη καταστροφικες μεθόδους αποτίμησης. Σε αυτή την περίπτωση τα σύνθετα FRP επιθεωρούνται τόσο κατά την εφαρμογή τους όσο και κατά τη διάρκεια ζωής τους για τυχόν ατέλειες στην επικόλληση αλλά και για βλάβες που μπορεί να επέλθουν, ώστε να αναγνωριστούν και να γίνουν οι κατάλληλες διορθωτικές ενέργειες ή να αντικατασταθεί η υπάρχουσα ενίσχυση. Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η ανάδειξη των μη καταστροφικων μεθόδων αποτίμησης ως ένα πολύ χρήσιμο και αποδοτικό εργαλείο στα χεριά του πολιτικού μηχανικού. Προς αυτή την κατεύθυνση ακολουθούν τα εξής: Στο 1 ο Κεφάλαιο αναφέρονται οι βασικές μη καταστρεπτικές μέθοδοι ελέγχου, οι βασικές αρχές λειτουργίας και ο αντίστοιχος εξοπλισμός τους. Έπειτα, στο 2 ο και στο 3 ο Κεφάλαιο δίνεται αναλυτικά η θεωρία της υπέρυθρης θερμογραφίας, ο αντίστοιχος εξοπλισμός και κάποιες πειραματικές δοκιμές εργαστηρίου. Στο 4 ο κεφάλαιο περιέχονται εφαρμογές υπέρυθρης θερμογραφίας (IR-infrared thermography) πεδίου 1

6 σε έργα πολιτικού μηχανικού και εφαρμογές σε θέματα θερμομόνωσης. Τέλος, στο 5 ο και τελευταίο Κεφάλαιο της εργασίας αυτής αναφέρονται τα συμπεράσματα που εξάγονται. 2

7 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1º ΜΕΘΟΔΟΙ ΜΗ ΚΑΤΑΣΤΡΟΦΙΚΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ ΚΑΤΑΣΚΕΥΩΝ 1.1. Έλεγχος Κατασκευών Για τις παλαιότερες αλλά και τις νεότερες κατασκευές ενδιαφέροντος πολιτικού μηχανικού υπάρχει η ανάγκη ελέγχου τους κατά τη διάρκεια ζωής τους, ώστε να μπορούν να εξαχθούν συμπεράσματα για τις μηχανικές ιδιότητες, τις βλάβες και γενικότερα για την κατάσταση του φέροντα μηχανισμού ενός έργου. Με την εξαγωγή αυτών των συμπερασμάτων μπορούν να εξαχθούν περαιτέρω συμπεράσματα για το αν αυτό είναι λειτουργικό, για την απόκριση του σε μελλοντικές καταπονήσεις και κυρίως σε σεισμούς και τέλος, εφόσον κρίνεται σκόπιμο, οι κατασκευές αυτές να ενισχυθούν κατάλληλα ή να αντικατασταθούν. Για την απάντηση αυτών των ερωτημάτων έχουν αναπτυχθεί μια σειρά μεθόδων μη καταστροφικής αποτίμησης (NDE-Non Destructive Evaluation) των κατασκευών. Στη συνέχεια αυτού του κεφαλαίου θα παρουσιαστούν οι βασικές μέθοδοι NDE, οι βασικές αρχές λειτουργίας τους, οι χρήσεις και οι περιορισμοί τους, καθώς και ο εκάστοτε απαραίτητος εξοπλισμός Μέθοδοι Μη Καταστροφικής Αποτίμησης Ραδιογραφία Η ραδιογραφία είναι μια από τις πιο πρόσφατες τεχνικές NDE η οποία χρησιμοποιείται για τη λήψη μιας εικόνας ανακλώμενου ειδώλου με τη χρήση ακτινοβολίας εισχώρησης, όπως ακτίνες Χ ή Γ παραγόμενες από ηλεκτρικές 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, δεδομένου ότι οι ακτίνες Γ είναι ακτίνες Χ υψηλής ενέργειας εκπεμπόμενες από την αποσύνθεση ενός ραδιενεργού ισότοπου. Αυτές οι ακτίνες διαδίδονται μέσω του 3

8 υλικού κατά μήκος ευθείων διαδρομών χωρίς καμιά σημαντική διάθλαση. Η ένταση της δέσμης μέσα στο υλικό μειώνεται εκθετικά βάση της ακόλουθης σχέσης: I = I L 0 exp μ ( x, y, z) dl 0 οπού I 0 είναι η ένταση της προσπίπτουσας δέσμης, μ(x,y,z) είναι ο συντελεστής εξασθένισης του υλικού σαν συνάρτηση των χωρικών συντεταγμένων και L είναι το μήκος της διαδρομής μέσα στο υλικό. Οι εκπεμθείσες ακτίνες προσκρούουν στον ανιχνευτή που είναι γενικά ένα φωτογραφικό φίλμ και το εκθέτουν με τον ίδιο τρόπο όπως εκθέτει το φως 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 ακριβής διδιάστατες εικόνες του εσωτερικού του σκυροδέματος. Πάντως, η χρήση τους στη δοκιμή του σκυροδέματος είναι γενικά περιορισμένη εξαιτίας του υψηλού αρχικού κόστους, τη σχετικά χαμηλή ταχύτητα, το βαρύ και ακριβό εξοπλισμό, την ανάγκη για εκτεταμένες προφυλάξεις ασφαλείας και τους πολύ καλά εκπαιδευμένους χειριστές, και ίσως το πιο σημαντικό από όλα, η απαίτηση για πρόσβαση και στις δυο πλευρές της κατασκευής. Το σχήμα 1 δείχνει τη διάταξη της μεθόδου της ραδιογραφίας. ) Σχήμα 1. Ραδιογραφική μέθοδος 4

9 Μηχανογραφημένη Ραδιενεργή Τομογραφία Η Μηχανογραφημένη Ραδιενεργή Τομογραφία, που ονομάζεται και Μηχανογραφημένη Τομογραφία (CT-Computerized Tomography) είναι η ανακατασκευή μιας εικόνας διατομής ενός αντικειμένου από την προβολή του. Με άλλα λόγια, είναι η συνεπής εναπόθεση από πάνω των προβολών που ληφθήκανε με τη χρήση ενός σαρωτή για την ανακατασκευή μιας γραφικής αναπαράστασης του αντικειμένου. Η μαθηματική διατύπωση της CT έγινε από τον Radon το 1917 και αρχικά χρησιμοποιήθηκε στην ιατρική σαν ένα διαγνωστικό εργαλείο μετά την εφεύρεση του υπολογιστικού τομογραφικού σαρωτή ακτίνων Χ από τον Hounsfield το1972. Το 1980, o Morgan et al. ανέπτυξε ένα σύστημα CT το οποίο χρησιμοποιεί μια ισοτοπική πηγή για την παραγωγή δεσμών φωτονίων, και εξέτασε κυλίνδρους σκυροδέματος διαμέτρου 6 inch για τον καθορισμό των διαφορών πυκνότητας εντός των κυλίνδρων, για τον εντοπισμό του οπλισμού και κενών και για τον καθορισμό του μεγέθους τους. Η ανακατασκευή της εικόνας έγινε με χρήση 100 προβολών που ληφθήκανε περιστρέφοντας την πηγή 360º γύρω από τους κυλίνδρους. Ο χρόνος έκθεσης για κάθε προβολή ήταν 40 λεπτά εξαιτίας της χαμηλής έντασης της πηγής. Το σύστημα ήταν ικανό να αναγνωρίσει την πυκνότητα με απόκλιση 1%. Τα αποτελέσματα σάρωσης δυο κυλινδρικών δοκιμίων σκυροδέματος φαίνονται στο σχήμα 2. Στο σχήμα 2(α), φαίνεται η ανακατασκευασμένη εικόνα του κυλίνδρου σκυροδέματος με ράβδο οπλισμού διαμέτρου 3/8 inch. Όπως φαίνεται, η ράβδος και τα κενά στον κύλινδρο αναγνωρίζονται με ακρίβεια. Το σχήμα 2(β) δείχνει την εικόνα ενός κυλίνδρου που φορτίζεται σε αστοχία. Ο τρόπος αστοχίας αναγνωρίζεται ξεκάθαρα στην εικόνα. 5

10 Σχήμα 2. Μηχανογραφημένη τομογραφική απεικόνιση ενός (α) κυλίνδρου σκυροδέματος με ράβδο οπλισμού στο κέντρο, (β) απλού κυλίνδρου σκυροδέματος φορτισμένο σε αστοχία Μια πιο πρόσφατη εφαρμογή της CT στο σκυρόδεμα αναφέρεται από τον Martz et al. Αυτός ανέπτυξε ένα σύστημα CT ακτίνων Χ για την ποσοτική επιθεώρηση μικρών δοκιμίων σκυροδέματος για διαφορές στην πυκνότητα τους με μια χωρική ανάλυση περίπου 2mm. Το σχήμα 3 δείχνει την εικόνα ενός κοίλου κυλίνδρου διαμέτρου 20 cm με μια οπή 4.4 cm στο κέντρο του, που ανακατασκευάστηκε από 45 προβολές σε διαστήματα 4º εντός των 180º. Στα δεξιά της εικόνας του κυλίνδρου είναι ένα μονοδιάστατο προφίλ εξασθένισης υπολογισμένο κατά μήκος μιας διαγώνιας άσπρης γραμμής που φαίνεται πάνω στην εικόνα. Η κεντρική οπή και ένα μικρότερο κενό μεγέθους περίπου 5 mm αναγνωρίζονται ξεκάθαρα και στην εικόνα και στο μονοδιάστατο προφίλ. 6

11 Σχήμα 3. Τομογραφική εικόνα ενός κυλίνδρου σκυροδέματος με μια οπή στο κέντρο και μονοδιάστατο προφίλ του συντελεστή εξασθένισης κατά μήκος της άσπρης γραμμής Η Μηχανογραφημένη Τομογραφία είναι ικανή να παράγει εικόνες υψηλής ακρίβειας ανάλυσης της τάξης mm και μεγαλύτερης. Πάντως, οι εφαρμογές της στο σκυρόδεμα είναι γενικά περιορισμένες σε εργαστηριακές μελέτες, καθώς οι σαρωτές είναι ακριβοί, οι μετρήσεις διαρκούν πολύ χρόνο και καλύπτουν μικρό μέγεθος και τέλος απαιτείται η πρόσβαση και στις δυο πλευρές της κατασκευής 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 7

12 προς ένα δοκίμιο-στόχο και η καταγραφή των διασκορπισμένων σημάτων στο δέκτη. Η διάδοση των ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων στον ελεύθερο χώρο και στα όποια μέσα 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 δειγμα υπομένοντας κάποια διάθλαση ανάλογα με τις ιδιότητες του υλικού του νέου δείγματος και τη γωνία πρόσκρουσης. Έτσι, τα διασκορπισμένα σήματα που καταγράφτηκαν στο 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 στο μονοστατικό είτε στον αμφιστατικό τρόπο, Σχήμα 4. Μέθοδος ραντάρ (ραντάρ εδαφικής εισχώρησης) μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την ανακατασκευή χωρικών εικόνων του στόχου μέσω αλγορίθμων απεικόνισης. Η μέθοδος ραντάρ φαίνεται στο σχήμα 4. 8

13 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 θλιπτικών (Ρ) κυμάτων, διατμητικών (S) 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 δε 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 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 μέθοδος ηχούς πρόσκρουσης δε χρησιμοποιείται για σκοπούς απεικόνισης, αλλά για σκοπούς εντοπισμού των ατελειών. Οι υπερηχητικές μέθοδοι αναφέρονται στην εφαρμογή και στη μελέτη των υπερήχων, που είναι ήχοι άνω των 18 KHz που δε μπορούν να ανιχνευτούν από το ανθρώπινο αυτί. Αυτή η τεχνική περιλαμβάνει τη μετάδοση υπερηχητικών κυμάτων μέσα στο σκυρόδεμα με τη χρήση ενός πομπού που είναι σε επαφή με την επιφάνεια του αντικειμένου. Έπειτα καταγράφονται και ερμηνεύονται τα διασκορπισμένα σήματα. Τα δεδομένα που ληφθήκανε από τα υπερηχητικά πειράματα μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη δημιουργία μιας εικόνας των ατελειών και των ανομοιογενειών στο σκυρόδεμα με τη χρήση τομογραφικών αλγορίθμων απεικόνισης. Οι εφαρμογές αυτής της τεχνικής για την αποτίμηση των συνθηκών στο σκυρόδεμα 9

14 περιλαμβάνουν τον καθορισμό του πάχους, τη μέτρηση του μέτρου ελαστικότητας και την ανίχνευση και την απεικόνιση ρωγμών, κενών και διαχωρισμών σε στρώσεις. Μια εφαρμογή απεικόνισης που χρησιμοποιήθηκαν δεδομένα μετάδοσης εκτελέστηκε από τους Jalinoos και Olson. Αυτοί εκτέλεσαν την απεικόνιση ενός τοίχου σκυροδέματος με κενά στο εσωτερικό του, όπως φαίνεται στο σχήμα 5(α), συνδυάζοντας τις μεθόδους ηχούς πρόσκρουσης και ταχύτητας υπερηχητικού παλμού με την τεχνική της τομογραφίας που χρησιμοποιείται στη γεωφυσική. Η θέση των κενών βρέθηκε με τη χρήση ενός σαρωτή ηχούς πρόσκρουσης, ο οποίος επέτρεψε γρήγορη σάρωση του τοίχου. Έπειτα, διεξήχθησαν δοκιμές ταχύτητας υπερηχητικού παλμού στις θέσεις των κενών για τη δημιουργία της εικόνας. Η εικόνα δημιουργήθηκε με χρήση επαναληπτικής προσέγγισης. Η δημιουργημένη εικόνα φαίνεται στο σχήμα 5(β). Σχήμα 5. (α) Διατομή του τοίχου, (β) Δημιουργημένο τομογράφημα της ταχύτητας (βάση). Οι τεχνικές ηχούς υπερηχητικού παλμού περιλαμβάνουν την εισαγωγή ενός τασικού κύματος μέσα στο σκυρόδεμα σε ένα προσιτό σημείο με ένα πομπό. Ο παλμός διαδίδεται μέσα στο σκυρόδεμα και ανακλάται από ρωγμές, κενά, διαχωρισμούς σε στρώσεις ή διεπιφάνειες υλικών. Τα ανακλώμενα κύματα καταγράφονται στην επιφάνεια και η ένδειξη του δέκτη επιδεικνύεται σε ένα παλμογράφο ή αποθηκεύεται για περεταίρω επεξεργασία. Υπάρχουν αρκετές μέθοδοι εξέτασης ενός δοκιμίου κάνοντας χρήση της τεχνικής ηχούς παλμού. 10

15 Η μέθοδος A-scan ή A-scope είναι μια μονοδιάστατη άποψη των ατελειών στο σκυρόδεμα. Η μέθοδος B-scan ή B-scope περιλαμβάνει μια σειρά παράλληλων A-scan και δίνει μια διδιάστατη άποψη των ατελειών στο σκυρόδεμα. Η μέθοδος C- scan ή C-scope περιλαμβάνει μια σειρά παράλληλων A-scan που εκτελούνται σε μια επιφάνεια. Για εφαρμογές απεικόνισης υπέρηχου υψηλής συχνότητας που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μη καταστροφική αποτίμηση μετάλλων, η επίδειξη της B- ή της C-scan μπορεί να παράσχει σημαντική πληροφόρηση σχετικά με τις εσωτερικές ατέλειες εξαιτίας της υψηλής ευθύτητας των κυμάτων. Πάντως, η παρουσία του εδαφικού υλικού, που συχνά υπερβαίνει τα 10 mm σε διάμετρο, απαιτεί η διεξαγωγή της δοκιμής στο σκυρόδεμα να γίνει σε σχετικά χαμηλές συχνότητες με σκοπό την αποφυγή υπερβολικής εξασθένισης προκαλούμενη από διασκόρπιση. Συνεπώς, η υπερηχητική δέσμη δεν έχει χαρακτηριστικά κατεύθυνσης και η εξαγωγή συμπερασμάτων για το μέγεθος των ατελειών είναι δύσκολη. Τα δεδομένα που λαμβάνονται από τη B- ή τη C-scan χρειάζονται περεταίρω επεξεργασία για την εξαγωγή χρήσιμων πληροφοριών σχετικά με το μέγεθος των ανομοιογενειών. Σχήμα 6. (α) Διαστάσεις του δοκιμίου σε mm, (β) Δημιουργία εικόνας με χρήση SAFT Ο Schickert εκτέλεσε υπερηχητική απεικόνιση ενός δοκιμίου εργαστηριακού μεγέθους με δυο οπές κάνοντας χρήση της τεχνικής ηχούς παλμού. Για την απεικόνιση έγινε χρήση της τεχνικής Synthetic Aperture Focusing (SAFT). Η SAFT μπορεί να θεωρηθεί σαν μια ανάποδη τεχνική η οποία παράγει μια εικόνα του εσωτερικού του αντικειμένου εστιάζοντας στα καταγεγραμμένα δεδομένα. Οι μετρήσεις έγιναν σε ένα γραμμικό άνοιγμα (γραμμική-saft) και η δημιουργία εκτελέστηκε στο πεδίο ορισμού του χρόνου. Η απεικόνιση εκτελέστηκε για τρία 11

16 δοκίμια της ίδιας γεωμετρικής μορφής αλλά με διαφορετικά μέγιστα μεγέθη εδαφικού υλικού με σκοπό την επίδειξη της επιρροής του μεγέθους του εδαφικού υλικού στην υπερηχητική απεικόνιση. Το σχήμα 6(α) δείχνει το δοκίμιο και το σχήμα 6(β) δείχνει τη δημιουργημένη εικόνα του δοκιμίου με μέγιστο μέγεθος εδαφικού υλικού 8 mm. Η ίδια διαδικασία επαναλήφθηκε για δοκίμια που είχαν μέγιστα μεγέθη εδαφικού υλικού 16 και 32 mm, αντίστοιχα. Για τα μεγαλύτερα μεγέθη εδαφικού υλικού παρατηρήθηκε μια σημαντική μείωση της ποιότητας της εικόνας Υπέρυθρη Θερμογραφία Οι υπέρυθρες (IR) τεχνικές χρησιμοποιούνται κοινώς 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 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 θερμάστρα 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 12

17 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 ενέργεια, Φ, ανά μονάδα επιφανειακής περιοχής του υλικού σχετίζεται με την τέταρτη δύναμη της απόλυτης θερμοκρασίας του, Τα, με βάση το νόμο των Stefan-Boltzmann : Φ = εσ Τ 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 εκπεμπτικότητα και η ταχύτητα του ανέμου. Για την ποσοτική αποτίμηση κατασκευών σκυροδέματος, μπορούν να γίνουν διορθώσεις στα δεδομένα μετρήσεων λαμβάνοντας υπόψη τις επιρροές της εκπεμπτικότητας, της ταχύτητας του ανέμου, της περιβάλλουσας 13

18 θερμοκρασίας και της ακτινοβόλησης από τα περιβάλλοντα αντικείμενα. Ακόμα, οι αποτιμήσεις υπέρυθρης θερμογραφίας περιορίζονται σε συγκεκριμένες καιρικές συνθήκες. 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 14

19 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2 ο ΘΕΩΡΙΑ ΥΠΕΡΥΘΡΗΣ ΘΕΡΜΟΓΡΑΦΙΑΣ ΚΑΙ 1 ο ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΑΚΟ ΠΕΙΡΑΜΑ ΠΟΙΟΤΙΚΟΥ ΕΛΕΓΧΟΥ 2.1. Εισαγωγή.Στο Κεφάλαιο αυτό, αρχικά, θα αναπτυχθούν οι θεωρητικές αρχές της υπέρυθρης θερμογραφίας και στη συνέχεια θα παρουσιαστεί ένα πείραμα ποιοτικής προσέγγισης το οποίο εκτελέστηκε στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης και δημοσιεύτηκε στο επιστημονικό περιοδικό Journal of Materials in Civil Engineering τον Ιούνιο του Θεωρητικές αρχές υπέρυθρης θερμογραφίας Η υπέρυθρη θερμογραφία, σαν ένα εργαλείο για τη μη καταστροφική ανίχνευση ρωγμών που βρίσκονται στο υπόστρωμα σκυροδέματος, βασίζεται στην αρχή ότι η μεταβίβαση θερμότητας σε κάθε υλικό επηρεάζεται από την ύπαρξη ρωγμών υπόστρωσης ή από κάθε άλλη αλλαγή στις θερμικές ιδιότητες του υλικού. Οι αλλαγές στη θερμική ροή προκαλούν τοπικές ενεργειακές μεταβολές στην επιφάνεια του δοκιμίου, οι οποίες μπορούν να μετρηθούν με υπέρυθρο ανιχνευτή ή με μετρητή ραδιενέργειας. Μέσω επεξεργασίας των δεδομένων, τα μετρηθέντα επίπεδα υπέρυθρης ακτινοβολίας μετασχηματίζονται στην αντίστοιχη θερμοκρασιακή διανομή τους και καταγράφονται στη μορφή θερμογραφημάτων (ισοθερμικά διαγράμματα ). Οι ανωμαλίες στο θερμογράφημα δηλώνουν την παρουσία ανωμαλιών υπόστρωσης στο δοκίμιο. Οι σχέσεις μεταξύ της επιφανειακής θερμοκρασίας και της εκπεμφθείσας ακτινοβολίας βασίζονται στις αρχές Stefan- Boltzmann [Εξ. (1)] και εκτοπίσματος Wien [Εξ. (2)] (Ede 1967) : W=εσΤ 4 (1) b λ max = T (2) 15

20 όπου W: ένταση εκπομπής ( W/m 2 ), ε: εκπεμπτικότητα δοκιμίου (αδιάστατο), σ: σταθερά Stefan-Boltzmann [5.67x10 8 W/m 2 /K 4 ], Τ: απόλυτη θερμοκρασία (Κ), λ: μήκος κύματος της μέγιστης έντασης ακτινοβολίας (μm) και b: σταθερά εκτοπίσματος Wien (2.897 μm/k). Η Εξ. (1) συσχετίζει την επιφανειακή θερμοκρασία με την εκπεμφθείσα ενέργεια και η Εξ.(2) την επιφανειακή θερμοκρασία με το μέγιστο μήκος κύματος της εκπεμφθείσας ενέργειας. Για θερμοκρασίες κοντά στη θερμοκρασία δωματίου, η ενέργεια είναι μέσα στο υπέρυθρο πεδίο του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος. Η ανίχνευση και ο χαρακτηρισμός ρωγμών σε κατασκευές πολιτικού μηχανικού απαιτούν ενεργητική θερμογραφία, στην οποία η θερμική ενέργεια εφαρμόζεται εξωτερικά και επέρχονται παροδικά φαινόμενα θερμικής μεταβίβασης. Για το χαρακτηρισμό των ατελειών χρειάζεται η χρήση υπέρυθρης θερμογραφίας χρονικής ανάλυσης (Maldague 1993). Χρησιμοποιώντας αυτήν την τεχνική, η επιφανειακή θερμοκρασία του δοκιμίου καταγράφεται και αναλύεται ως συνάρτηση του χρόνου, αντί να καταγράφεται στατικά σε μια συγκεκριμένη χρονική στιγμή. Ο ποσοτικός χαρακτηρισμός των εσωτερικών ανωμαλιών απαιτεί την κατανόηση των παροδικών φαινόμενων θερμικής μεταφοράς. Μια σύντομη ανασκόπηση της θεωρίας παρέχει βαθειά γνώση για τις ιδιότητες του υλικού που εμπλέκονται. Αρχίζοντας με τη γενική περίπτωση, η θερμική μεταφορά σε ένα ομοιογενές υλικό διέπεται από τη θεωρία της διάχυσης (Lienhard 1981) και δίνεται από την ακόλουθη διαφορική εξίσωση [Εξ. (3)] : όπου T K T + Q = pc (3) t : συνάρτηση απόκλισης, Κ: tensor θερμικής αγωγιμότητας, : συνάρτηση κλίσης, Τ: θερμοκρασία, Q: εσωτερική θερμική ενέργεια, ρ: πυκνότητα, c: ειδική θερμότητα και t: χρόνος. Αν η αλλαγή στον tensor θερμικής αγωγιμότητας είναι σχετικά μικρή σε σχέση με τη θερμοκρασία του υλικού, η Εξ.(3) απλοποιείται στην Εξ.(4) : 2 K( T ) + Q = T pc t (4) 16

21 όπου 2 : συνάρτηση Laplace. Στο καρτεσιανό σύστημα συντεταγμένων, η συνάρτηση Laplace ορίζεται ως : T x T y T z T = + + (5) Αυτές οι εξισώσεις δε μπορούν να λυθούν σε κλειστή μορφή, εκτός από απλές περιπτώσεις. Μια τέτοια περίπτωση είναι αυτή της μονοδιάστατης θερμικής ροής σε ένα ημι-απεριόριστο αντικείμενο του οποίου η επιφανειακή θερμοκρασία ξαφνικά αυξάνεται και μετά μένει σταθερή. Η παροδική θερμική ροή συμβαίνει μέχρι επίτευξης της θερμικής ισορροπίας. Κατά τη διάρκεια της παροδικής θερμικής ροής, η θερμοκρασία σε οποιοδήποτε δοσμένο σημείο αλλάζει σε συνάρτηση με το χρόνο. Η θεωρία μονοδιάστατης παροδικής θερμικής ροής δηλώνει ότι αυτή η θερμοκρασιακή αλλαγή συμβαίνει με ένα μη γραμμικό τρόπο, ως ακολούθως [Εξ. (6)],(Lienhard 1981) : ( T d z T ) = ( Ti T ) erf ( ) (6) 2 at όπου T d : θερμοκρασία σε κάθε βάθος z εντός του δοκιμίου, T : εφαρμοσμένη σταθερή επιφανειακή θερμοκρασία, T i : αρχική θερμοκρασία του στερεού, erf: συνάρτηση λάθους του Gauss, t: χρόνος και α: θερμική διαχυτικότητα του υλικού. Η θερμική διαχυτικότητα του υλικού ορίζεται σαν [Εξ.(7)]: k a = (7) pc όπου Κ: θερμική αγωγιμότητα, ρ: πυκνότητα και c: ειδική θερμότητα. Η θερμική διαχυτικότητα περιγράφει πόσο γρήγορα θερμαίνεται ή ψύχεται ένα υλικό υπό παροδικές συνθήκες. Σε περιπτώσεις όπου ένα αντικείμενο αυθαιρέτου σχήματος και με ετερογενείς θερμικές ιδιότητες, υπόκειται σε μια εξωτερικά εφαρμοζόμενη θερμική πηγή, αριθμητικές μέθοδοι, όπως η μέθοδος πεπερασμένου στοιχείου ή πεπερασμένης διαφοράς, είναι απαραίτητες για τη λύση των διαφορικών εξισώσεων 17

22 και την παρατήρηση θερμοκρασιακών ιστορικών σε ξεχωριστά σημεία μέσα στο δοκίμιο. Σε σύνοψη, κατά τη διάρκεια παροδικών συνθηκών, οι επιφανειακές θερμοκρασιακές μεταβολές, προκαλεσμένες από εσωτερικές ανωμαλίες στο δοκίμιο, εξαρτώνται από το χρόνο που έχει διανυθεί και τον τύπο, το μέγεθος και το βάθος των ανωμαλιών. Η επιφανειακή θερμοκρασία μετράται μέσω μέτρησης της εκπεμφθείσας ακτινοβολίας. Η ακριβής μέτρηση της επιφανειακής θερμοκρασίας εξαρτάται από την επιφάνεια και τα χαρακτηριστικά του υλικού, όπως η εκπεμπτικότητα, και σε περιβαλλοντικούς παράγοντες, όπως η μεταγωγή θερμότητας ψύξης, η ατμοσφαιρική εξασθένιση, και άλλες πηγές παρέμβασης Παράμετροι θερμικής απόκρισης Η μη καταστροφική δοκιμή με χρήση υπέρυθρης θερμογραφίας περιλαμβάνει τη χρήση εξωτερικού θερμικού ερεθίσματος για την παραγωγή της απαιτούμενης παροδικής συνθήκης θερμικής μεταγωγής. Σε αυτό, το πρώτο πείραμα, το θερμικό ερέθισμα εξιδανικεύεται σαν ένας βαθμωτός θερμικός παλμός έντασης q και διάρκειας Τ, που εφαρμόζεται επί της επιφάνειας του δοκιμίου. Οι επιφανειακές θερμοκρασίες πάνω από τη ρωγμή και στο βάθος, όπου δεν υπάρχει εσωτερική ρωγμή, καταγράφονται (σχ.1). Οι τιμές ενδιαφέροντος εμπεριέχουν τη μέγιστη επιφανειακή θερμοκρασία και το θερμικό σήμα. Η μέγιστη επιφανειακή θερμοκρασία συμβαίνει πάνω από τη ρωγμή και στο τέλος του θερμικού παλμού. Το θερμικό σήμα ορίζεται σαν : ΔΤ = Τ (8) defect Τ background όπου ΔΤ: θερμικό σήμα, Τ defect : επιφανειακή θερμοκρασία πάνω από τη ρωγμή και Τ background : επιφανειακή θερμοκρασία σε ένα σημείο πάνω από το συμπαγές υλικό και σε αρκετή απόσταση από τη ρωγμή. Δυο πρόσθετες τιμές, το μέγιστο θερμικό σήμα, ΔΤ max, και ο χρόνος για να πραγματοποιηθεί το μέγιστο θερμικό σήμα, t s, είναι επίσης σημαντικές παράμετροι θερμικής απόκρισης. 18

23 Σχήμα 1. Σχηματικό διάγραμμα της μεθόδου υπέρυθρης θερμογραφίας για την ανίχνευση ύπαρξης ρωγμής βασισμένη στη διαφορά επιφανειακής θερμοκρασίας 2.4. Πειραματική διαμόρφωση Στο πείραμα αυτό η προσοχή επικεντρώνεται στη μέτρηση βασικών παραμέτρων που απαιτούνται για την υπέρυθρη θερμογραφία και στα αποτελέσματα που παρατηρούνται από ένα απλό δοκίμιο ελεγχόμενης ρηγμάτωσης. Σχήμα 2. Δοκίμιο δοκιμής ελεγχόμενης ρηγμάτωσης 19

24 Το δοκίμιο ελεγχόμενης ρηγμάτωσης κατασκευάστηκε χρησιμοποιώντας μια προκατασκευασμένη πλάκα σκυροδέματος διαστάσεων 610Χ250Χ45 mm, ως υπόστρωμα. Δυο pultruded FRP (CFRP) ελάσματα άνθρακα συγκολλήθηκαν στο υπόστρωμα, όπως φαίνεται στο σχήμα 2. Τα ελάσματα είναι διαθέσιμα στο εμπόριο και περιέχουν ίνες άνθρακα μιας διεύθυνσης. Κάθε έλασμα είχε τις ακόλουθες διαστάσεις : 609Χ102Χ1.3 mm. Τα ελάσματα συγκολλήθηκαν στο υπόστρωμα σκυροδέματος χρησιμοποιώντας μία εποξική κόλλα που παρέχεται από τον κατασκευαστή. Οχτώ «ρωγμές» σχηματίστηκαν τοποθετώντας διαφορετικά υλικά στη διεπιφάνεια μεταξύ του υποστρώματος σκυροδέματος και του ελάσματος CFRP. Κάθε ρωγμή ήταν περίπου 25Χ25 mm κατά το σχεδιασμό. Τα υλικά που χρησιμοποιήθηκαν για την προσομοίωση των ρωγμών και του πάχους τους συνοψίζονται στον πίνακα 1. Καθώς η κατασκευή ελεγχόμενων ρωγμών είναι προβληματική, ένας από τους σκοπούς ήταν να καθοριστεί αν υπάρχει υλικό που θα έδινε αποτελέσματα παρεμφερή με ένα θύλακα αέρα. Αριθμός ρωγμής Υλικό Τοποθέτηση/κατασκευή Προσεγγιστικό πάχος(mm) 1 Αέρας και Πλαστική τσάντα με αέρα 0.4 πλαστικό 2 Αέρας και κερί Διαδικασία απορρόφησης 0.6 κεριού 3 Πολυστυρένιο Ταινία κάλυψης Ύφασμα χαμηλού Ύφασμα τυλιγμένο σε 0.8 k και πλαστικό πλαστική μεμβράνη 6 Αέρας Κενό αέρα δημιουργημένο με 0.6 φράγμα καλωδίου 7 Parafilm Κεραμικό χαρτί Κεραμικό χαρτί τυλιγμένο με 0.8 και πλαστικό πλαστική μεμβράνη Πίνακας 1. Σύνοψη των προσομοιωμένων ρωγμών 20

25 Δυο θερμοστοιχεία τοποθετήθηκαν στην εποξικη κόλλα μεταξύ του σκυροδέματος και του ελάσματος CFRP, όπως παρουσιάζεται στο σχήμα 2. Επιπρόσθετα, μία διάταξη μετατροπής θερμικής ροής με ένα εσωτερικό θερμοστοιχείο τοποθετήθηκε στην επιφάνεια του ελάσματος. Τα θερμοστοιχεία και η διάταξη μετατροπής θερμικής ροής συνδέθηκαν σε ένα σύστημα απόκτησης δεδομένων. Το σχήμα 3 είναι ένα σχήμα του συστήματος δοκιμής που χρησιμοποιήθηκε σε αυτό το πείραμα. Χρησιμοποιώντας αυτή τη διάταξη, μόνο ένα τμήμα 0.35 m ενός ελάσματος μπορούσε να επιθεωρηθεί τη φορά. Τα συστατικά συζητούνται ακολούθως. Σχήμα 3. Διαμόρφωση δοκιμής υπέρυθρης θερμογραφίας Όπως έχει αναφερθεί προηγουμένως, η ανίχνευση και ο χαρακτηρισμός των ρωγμών υπόστρωσης απαιτούν μία εξωτερική θερμική πηγή που θα παράγει τις επιθυμητές παροδικές συνθήκες θερμικής μεταφοράς. Επιπλέον, ένας μικρής διάρκειας και υψηλής έντασης θερμικός παλμός είναι ιδανικός για την παραγωγή υψηλής παροδικής συμπεριφοράς. Όπως έχει συζητηθεί (Starnes et al. 2002), η επιλογή μίας θερμικής εισαγωγής απαιτεί την επίτευξη μίας ισορροπίας μεταξύ του επιθυμητού θερμικού σήματος ( διαφορετική επιφανειακή θερμοκρασία μεταξύ του βλαβέντος και του συμπαγούς υλικού ) και της μέγιστης επιτρεπτής επιφανειακής θερμοκρασίας. Αυτή η ισορροπία πετυχαίνεται βελτιστοποιώντας την ένταση θερμικής ροής και την περίοδο θέρμανσης. Πρακτικά, ο επιθεωρητής μπορούσε να 21

26 διαλέξει μεταξύ της χρήσης μικρής διάρκειας περιόδου θέρμανσης με μεγάλης έντασης ροή, ή αντιστρόφως. Οι μελέτες παραμέτρων υποδηλώνουν ότι για εφαρμογές πολιτικού μηχανικού, μίας μικρότερης έντασης θερμική ροή με μεγαλύτερη περίοδο θέρμανσης (π.χ. sec αντί για μsec) παρέχει την ισορροπία μεταξύ του θερμικού σήματος και της μέγιστης επιφανειακής θερμοκρασίας (Starnes et al. 2002). Για τη θερμική εισαγωγή χρησιμοποιήθηκαν δυο υπέρυθρες λάμπες θέρμανσης 250 W, τοποθετημένες στα 200 mm στο κέντρο. Ένα αλουμινένιο πλαίσιο φτιάχτηκε να συγκρατεί τις λάμπες θέρμανσης και ένα αλουμινένιο σκέπαστρο. Το σκέπαστρο ήταν απαραίτητο για να σταματήσει την ακτινοβολία από τις λάμπες αφού αυτές έσβηναν. Αυτό απαιτήθηκε έτσι ώστε ο θερμικός παλμός να είναι αντίστοιχος με το βαθμωτο παλμό που χρησιμοποιήθηκε σε αυτές τις αναλύσεις. Το σκέπαστρο έμεινε ανοιχτό κατά τη διάρκεια της θέρμανσης αναρτώντας το από την κορυφή του πλαισίου με χρήση ηλεκτρομαγνήτη. Στο τέλος του θερμικού παλμού ένας ηλεκτρικός διακόπτης έσβησε της λάμπες και συγχρόνως και τον ηλεκτρομαγνήτη, οπότε το σκέπαστρο έπεσε μπροστά από τις λάμπες. Η απόδοση θερμικής ροής της μονάδας θέρμανσης μετρήθηκε για να επαληθευτεί η ομοιογένεια της θέρμανσης. Η μονάδα θέρμανσης τοποθετήθηκε έτσι ώστε οι λάμπες να είναι σε απόσταση 0.33 m από την επιφάνεια του δείγματος. Αυτή η απόσταση επελέγη γιατί παρείχε αρκετή εισαγωγή θερμικής ροής για ένα επαρκές σήμα, και επέτρεπε την παρακολούθηση της περιοχής δοκιμής με την υπέρυθρη κάμερα. Η θερμική ροή στην επιφάνεια του δείγματος μετρήθηκε σε διαστήματα 20 mm κατά μήκος μίας γραμμής παράλληλης στις λάμπες. Η μέση μετρηθήσα θερμική ροή μεταξύ των δυο λαμπών ήταν 1650 W/m² και η τυπική απόκλιση ήταν 80 W/m². Μια υπέρυθρη κάμερα με ένα αζωτόψυκτο HgCdTe (υδράργυρος-κάδμιοτελλουρίδιο) ανιχνευτή, σε συνδυασμό με λογισμικό απόκτησης δεδομένων και ανάλυση πραγματικού χρόνου, χρησιμοποιήθηκαν για την καταγραφή της επιφανειακής θερμοκρασίας. Η υπέρυθρη κάμερα λειτουργεί στην μακρού μήκους κύματος υπέρυθρη φασματική ζώνη (8-12 μm), οπότε ελαχιστοποιεί την ατμοσφαιρική εξασθένιση της λαμβανόμενης ακτινοβολίας. Ο ανιχνευτής έχει ευαισθησία των 0.08 ºC στους 30 ºC και ακρίβεια μέτρησης ± 1 ºC. H μονάδα απόκτησης δεδομένων ερεθίστηκε όταν άναψαν οι λάμπες θέρμανσης. Ο σαρωτής κατέγραψε δεδομένα σε ένα εύρος 15 Ηz. 22

27 2.5. Καθορισμός της εκπεμπτικοτητας υλικού Η αρχή Stefan-Boltzmann [Εξ.(1)] σχετίζει την επιφανειακή θερμοκρασία ενός αντικειμένου με την εκπεμφθείσα από αυτό ακτινοβολία. Αυτή η σχέση επηρεάζεται από τα χαρακτηριστικά εκπεμπτικότητας της επιφάνειας του υλικού. Η εκπεμπτικότητα είναι ο λόγος της ακτινοβολίας ενός σώματος σε μία δοσμένη θερμοκρασία προς την ακτινοβολία ενός σώματος που απορροφά όλη την ακτινοβολία, στην ίδια θερμοκρασία. Ο ακριβής καθορισμός της επιφανειακής εκπεμπτικότητας, και αντιστάθμιση για αυτό, είναι κλειδί για τη σωστή μέτρηση της επιφανειακής θερμοκρασίας χρησιμοποιώντας μια υπέρυθρη κάμερα. Η πρότυπη μεθοδολογία για τον καθορισμό της εκπεμπτικότητας περιγράφεται στο ASTM E 1933 (ASTM 2000). Η μέθοδος θερμομέτρου επαφής που περιγράφεται στο πρότυπο χρησιμοποιήθηκε σε αυτό το πείραμα. Πρώτα, η επιφανειακή θερμοκρασία του ελάσματος FRP μετρήθηκε με χρήση χάλκινου/σταθερού θερμοστοιχείου (Αμερικανικό Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων Τύπου Τ, ειδικά όρια, mm διάμετρος). Κάθε θερμοστοιχείο εμπεδώθηκε σε εποξικη κόλλα σε μία ρηχή οπή που κόπηκε στο έλασμα FRP έτσι που η μισή περίμετρος του καλωδίου ήταν σε επαφή με το σύνθετο και η άλλη μισή σε επαφή με τον αέρα. Σε συμφωνία με το ASTM E 1933, το δείγμα δοκιμής θερμάνθηκε ώστε η επιφάνεια έφτασε το λιγότερο τους 10 ºC πάνω από την περιβάλλουσα θερμοκρασία. Για την αποφυγή γρήγορης ψύξης της επιφάνειας, θερμάνθηκε σε φούρνο στη θερμοκρασία των 45 ºC. Σαν αποτέλεσμα, η ψύξη της επιφάνειας ήταν αρκετά αργή ώστε να επιτραπεί η εκτίμηση της εκπεμπτικότητας της επιφάνειας. Το δείγμα δοκιμής τοποθετήθηκε στα 0.55 m από την υπέρυθρη κάμερα και κάθετα στη γραμμή παρακολούθησης της κάμερας. Η κάθετη τοποθέτηση του αντικειμένου δοκιμής είναι σημαντική επειδή η εκπεμπτικότητα μεταβάλλεται με τη γωνία παρακολούθησης. Η επιφανειακές θερμοκρασίες δίπλα στο θερμοστοιχείο μετρήθηκαν με την υπέρυθρη κάμερα με χρήση σημειακών οργάνων μέτρησης, τα οποία είναι εργαλεία μέτρησης που χρησιμοποιεί το λογισμικό ανάλυσης για τον καθορισμό της θερμοκρασίας σε ένα σημείο. Συγκεκριμένα, το σημειακό όργανο μέτρησης υπολογίζει το μέσο όρο των εικονοστοιχείων γύρω από το επιλεγέν σημείο. Οι επιφανειακές θερμοκρασίες μετρήθηκαν σε τρία σημεία δίπλα σε ένα 23

28 θερμοστοιχείο με χρήση τριών σημειακών οργάνων μέτρησης. Η τιμή εκπεμπτικότητας από το λογισμικό μεταβλήθηκε με σκοπό να ταιριάζει με τη θερμοκρασία που μετρήθηκε με το θερμοστοιχείο και τη θερμοκρασία που υπεδείχθη από το λογισμικό. Οι μετρήσεις επαναλήφθηκαν 55 φορές, για σύνολο 165 τιμών εκπεμπτικότητας που κυμάνθηκαν από 0.77 μέχρι Η μέση εκπεμπτικότητα του ελάσματος FRP ήταν 0.80, με μία τυπική απόκλιση του Έτσι, το διάστημα αβεβαιότητας είναι 0.80±0.03, για ένα συντελεστή κάλυψης k= Καθορισμός της θερμικής ροής Η επιφανειακή θερμοκρασία του ελάσματος FRP και το θερμικό σήμα εξαρτώνται από τον εισαγόμενο θερμικό παλμό. Ο εισαγόμενος θερμικός παλμός έχει δυο παραμέτρους που μπορεί να μεταβληθούν-η διάρκεια του παλμού και η ένταση της θερμικής ροής. Η διάρκεια του παλμού ελέγχεται εύκολα. Για αυτό το συγκεκριμένο πείραμα, η διάρκεια παλμού ορίστηκε στα 10 sec με χρήση γεννήτριας σήματος και ένα εξωτερικό διακόπτη. Οι λάμπες τέθηκαν σε λειτουργία. Μετά από 10 sec, η γεννήτρια σήματος έστειλε ένα σήμα στον πίνακα ερεθίσματος κύκλου για να κλείσουν οι λάμπες και ο ηλεκτρομαγνήτης που κρατούσε το σκέπαστρο. Το σκέπαστρο έπεσε και η θερμική ροή στο δείγμα δοκιμής διεκόπη. Η δεύτερη παράμετρος που χρειάζεται να καθοριστεί είναι η ένταση του θερμικού παλμού. Αυτή η παράμετρος εξαρτάται από την ισχύ της θερμικής πηγής και την απόσταση της από το αντικείμενο δοκιμής. Η επικείμενη θερμική ροή μετρήθηκε με χρήση αισθητήρα θερμικής ροής που τοποθετήθηκε στην επιφάνεια του ελάσματος FRP. Οι μετρήσεις έγιναν με τις λάμπες θέρμανσης τοποθετημένες στα 0.33 m από την επιφάνεια του ελάσματος FRP. Για να μετρηθεί η θερμική ροή στην οποία εκτίθεται το δείγμα κατά τη διάρκεια της δοκιμής θερμογραφίας, ο αισθητήρας θερμικής ροής τοποθετήθηκε στην ίδια θέση (σε αντιστοιχία με τις λάμπες θέρμανσης) στην οποία το διαρρέον δείγμα θα τοποθετούταν κατά τη διάρκεια της θερμογραφικής δοκιμής. Για ευκολία, αυτή η θέση θα αναφέρεται ως Θέση Α κατά το υπόλοιπο πείραμα. Η Θέση Α τοποθετήθηκε στην κεντρική γραμμή μεταξύ των λαμπών για να εξασφαλιστεί ομοιόμορφη θέρμανση της υπό δοκιμή περιοχής (σχ.4). Τρεις μετρήσεις θερμικής ροής ελήφθησαν. Η μέγιστη ένταση θερμικής ροής ήταν 1750 W/m² μετρημένη στα 10 sec. O πίνακας 2 συνοψίζει τα δεδομένα 24

29 Σχήμα 4. Πειραματικό στήσιμο για τη μέτρηση της προσπίπτουσας θερμικής ροής εισαγόμενης θερμικής ροής, και το σχήμα 5 δείχνει το καταγεγραμμένο ενός από τους θερμικούς παλμούς όπως μετρήθηκε από τον αισθητήρα θερμικής ροής. Μία σημαντική θεώρηση για σύγκριση με τις αριθμητικές προσομοιώσεις είναι ότι ο αισθητήρας θερμικής ροής μετρά την προσπίπτουσα θερμική ροή, q incident. Αυτή η θερμική ροή, πάντως, πρέπει να προσαρμοστεί για να καθοριστεί η ποσότητα η οποία απορροφάται από το FRP.Το κλάσμα της προσπίπτουσας θερμικής ροής που απορροφάται από την επιφάνεια του υλικού αναφέρεται ως απορροφητικότητα. Ο νόμος του Kirchhoff σχετίζει την απορροφητικότητα μίας επιφάνειας με την εκπεμπτικότητα, ως ακολούθως (Ozisik 1985) : a ( Τ) = ε ( Τ) (9) λ λ όπου ε (Τ): φασματική εκπεμπτικότητα για την εκπομπή ακτινοβολίας σε λ θερμοκρασία Τ, και α (Τ): φασματική απορροφητικότητα για ακτινοβολία που λ έρχεται από ένα σώμα που απορροφά όλη την ακτινοβολία, επίσης σε θερμοκρασία Τ. Συνεπώς, η απορροφούμενη ακτινοβολία μπορεί να εκφραστεί σαν 25

30 q = ε (10) absorbed q incident Συνεπώς, η θερμική ροή που απορροφάται από το FRP είναι 80% της προσπίπτουσας θερμικής ροής που μετρήθηκε από τον αισθητήρα. Προσπίπτουσα θερμική ροή (W/m²) Χρόνος(s) Δοκιμή 1 Δοκιμή 2 Δοκιμή Πίνακας 2. Μετρήσεις Θερμικής Ροής 2.7.Διαδικασία δοκιμής υπέρυθρης θερμογραφίας Το πρώτο μέρος αυτής της πειραματικής δοκιμής είναι ποιοτικής φύσης, και έχει σκοπό να αποτιμηθεί η δυνατότητα ανίχνευσης κάθε προσομοιωμένης ρωγμής που εμπεδώθηκε στο δοκίμιο. Για αυτό το σκοπό, όλη η επιφάνεια του δοκιμίου θερμάνθηκε και η θερμοκρασία καταγράφτηκε με χρήση της υπέρυθρης 26

31 κάμερας και το σχετικό λογισμικό. Η ποιοτική φύση της δοκιμής δεν απαίτησε τη μέτρηση της εφαρμοσμένης θερμικής ροής. Η θέρμανση, σε αυτήν την περίπτωση, έγινε σαρώνοντας μία θερμαντική λάμπα κατά μήκος του μήκους του FRP σε μία απόσταση 50 mm από την επιφάνεια του και με ταχύτητα περίπου 0.15 m/s. Αυτή η τεχνική είναι παρεμφερής με τη μέθοδο που χρησιμοποιείται στις εφαρμογές πεδίου (Hawkins et al. 1999). Το απορρέον θερμογράφημα του σχ.6 δείχνει ότι και οι 8 προσομοιωμένες ρωγμές είναι ανιχνεύσιμες. Οι πιο ορατές ρωγμές ήταν οι υπ αριθμό 5,6 και 8, οι οποίες ανταποκρίθηκαν σε χαμηλής αγωγιμότητας ύφασμα, αέρα και κεραμικό χαρτί, αντίστοιχα (σχ. 2 και 6). Η ρωγμή Νο.4 (ταινία κάλυψης) και η Νο.7 (parafilm) παρήγαγαν τα μικρότερα σήματα που ήταν μόλις ανιχνεύσιμα. Το θερμογράφημα υποδηλώνει ξεκάθαρα τη θέση των υποεπιφάνειων ρωγμών και τους αισθητήρες που κολλήθηκαν στην επιφάνεια του δοκιμίου (αισθητήρας θερμικής ροής και καλώδια θερμοστοιχείου). Σχήμα 5. Μετρημένος παλμός θερμικής ροής (δοκιμή 3) Στην πράξη, αυτή η ταχεία τεχνική θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την εύκολη ανίχνευση και τον εντοπισμό υποεπιφάνειων ρωγμών. Ο ακριβής χαρακτηρισμός της ρωγμής, όμως, απαιτεί μέτρηση των θερμοκρασιών επιφανείας σα συνάρτηση του χρόνου. 27

32 Σχήμα 6. Θερμογράφημα του δοκιμίου κατά τη διάρκεια της ποιοτικής ανίχνευσης των προσομοιωμένων υποεπιφάνειων ρωγμών Για σύγκριση των αποτελεσμάτων της δοκιμής με τις αριθμητικές προσομοιώσεις επελέγη η ρωγμή κενού αέρα (Νο.6) για περαιτέρω μελέτη. Ο λόγος για την επιλογή αυτή ήταν διπλός, όπως φαίνεται στη συνέχεια : ~ το κενό αέρα παρείχε ένα σημαντικό θερμικό σήμα και ~ οι ιδιότητες υλικού του αέρα είναι γνωστές, έτσι μειώνεται η αβεβαιότητα στην αριθμητική μοντελοποίηση. Κατά τη διάρκεια της ποιοτικής δοκιμής παρατηρήθηκε ότι η μορφή του κενού αέρος δεν ήταν τετράγωνη όπως αναμενόταν να είναι. Αυτό έδειξε ότι η εποξική κόλλα πλημμύρισε άνω του «φράγματος καλωδίου» που χρησιμοποιήθηκε για την προσπάθεια δημιουργίας τετράγωνης μορφής κενού. Έτσι, αναγνωρίστηκε ότι η γεωμετρία της ρωγμής ήταν διαφορετική από την αναμενόμενη. Για τον υπολογισμό του πάχους του κενού αέρα πάρθηκαν εφτά μετρήσεις του ύψους του ελάσματος FRP χρησιμοποιώντας καλίμπρα. Από το γνωστό πάχος ελάσματος, η αναμενομένη τιμή του πάχους της συγκόλλησης ήταν 0.9 mm με μία απόκλιση 0.2 mm. Το πάχος του κενού αέρα ήταν έτσι αναμενόμενο να είναι 0.9 mm για το σκοπό της αριθμητικής προσομοίωσης. 28

33 Το επόμενο μέρος του πειράματος επικεντρώθηκε στη δοκιμή ποσοτικής θερμογραφίας του κενού αέρα. Η λάμπα θέρμανσης τοποθετήθηκε στα 0.33 m από την επιφάνεια του δοκιμίου. Το δοκίμιο τοποθετήθηκε έτσι ώστε το κενό αέρα να είναι στην ίδια θέση σε σχέση με τις λάμπες θέρμανσης όπως ήταν ο αισθητήρας θερμικής ροής κατά τη διάρκεια της μέτρησης θερμικής ροής (Θέση Α, όπως έχει οριστεί στο προηγούμενο τμήμα). Η διάρκεια του θερμικού παλμού ορίστηκε στα 10 sec.κατά τη διάρκεια της δοκιμής, θερμογραφικά δεδομένα καταγράφτηκαν στα 15 Hz για περίοδο 60 sec. Ερευνήθηκαν δυο διαδικασίες επιθεώρησης. Η πρώτη διαδικασία εμπεριείχε δυο δοκιμές. Στην πρώτη δοκιμή το κενό αέρα ήταν στη θέση Α. Στη δεύτερη δοκιμή μια αρηγμάτωτη περιοχή του δοκιμίου τοποθετήθηκε στη θέση Α. Τα θερμοκρασιακά δεδομένα στην ίδια τοποθεσία αναλύθηκαν με χρήση σημειακού μετρητή. Το σήμα σαν συνάρτηση του χρόνου αποκομίζεται αφαιρώντας τα θερμοκρασιακά δεδομένα της δεύτερης μέτρησης ( T background δεδομένα της πρώτης μέτρησης ( T defect ) από τα θερμοκρασιακά ). Αυτό το στήσιμο μπορεί να φαίνεται περιττό, πάντως εγγυάται ότι και τα δυο T background και T defect μετρήθηκαν για την ίδια εισαγόμενη θερμική ροή. Αυτή η λεπτομέρεια ήταν σημαντική για σύγκριση με αναλυτικά αποτελέσματα. Πρόσθετα, επέτρεψε να περιγραφεί η σύγκριση με τη δεύτερη ποσοτική θερμογραφική δοκιμή. Ένα 10βάθμιο φίλτρο μέσου όρου που υπολογίζει ένα κινούμενο μέσο όρο των θερμοκρασιακών δεδομένων χρησιμοποιήθηκε για την εξομάλυνση του σήματος. Το εξομαλυμένο σήμα παρουσιάζεται στο σχ.7. Το μέγιστο σήμα ήταν 2.9 ºC, και παρουσιάστηκε 12 sec μετά την έναρξη της θέρμανσης. Αυτή η δοκιμή παρήγαγε μία μέγιστη επιφανειακή θερμοκρασία 28.7 ºC στη θέση της ρωγμής. Η δεύτερη διαδικασία περιείχε μία δοκιμή. Αυτό μπορούσε να είναι παρεμφερές με μία πραγματική δοκιμή πεδίου. Το δοκίμιο τοποθετήθηκε έτσι ώστε το κενό αέρα να είναι στη θέση Α. Τα καταγραμμένα δεδομένα αναλύθηκαν με χρήση δυο σημειακών μετρητών : ένας τοποθετήθηκε πάνω από το κέντρο της ρωγμής για να μετρήσει το T defect και ο άλλος τοποθετήθηκε 15 mm από το φαινομενικό όριο του κενού αέρα (πάνω από αβλαβές υλικό) για να μετρηθεί το T background. Σε αυτήν την περίπτωση, το μέγιστο σήμα ήταν 2.7 ºC, οπού παρουσιάστηκε 12 sec μετά την 29

34 έναρξη της θέρμανσης. Η μέγιστη επιφανειακή θερμοκρασία ήταν 28.4 ºC. Το εξομαλυμένο σήμα σαν συνάρτηση του χρόνου παρουσιάζεται στο σχ.8. Οι δυο δοκιμές έδωσαν ουσιαστικά τα ίδια αποτελέσματα. Αυτό παρέχει κάποια ασφάλεια ότι τα σήματα που φαίνονται στα σχ.7 και 8 είναι έγκυρα. Σχήμα 7. Θερμικό σήμα ( T T ) για τη διαδικασία θερμογραφίας 1 του defect background κενού αέρα (με χρήση 10βάθμιου φίλτρου μέσου όρου) 30

35 Σχήμα 8. Θερμικό σήμα T T ) για τη διαδικασία θερμογραφίας 2 του ( defect background κενού αέρα (με χρήση 10βάθμιου φίλτρου μέσου όρου) 2.8. Αναλυτική Μοντελοποίηση Η επόμενη φάση του πειράματος επικεντρώθηκε στη σύγκριση των πειραματικών αποτελεσμάτων με τα αποτελέσματα της αριθμητικής μοντελοποίησης. Όπως αναφέρθηκε, οι λύσεις προβλημάτων παροδικής θερμότητας με άμεση ολοκλήρωση των κυβερνητικών διαφορικών εξισώσεων είναι πιθανές μόνο για τις πιο απλές συνθήκες. Η εναλλακτική προσέγγιση είναι να λυθούν οι κυβερνητικές εξισώσεις με χρήση αριθμητικών μεθόδων, όπως η μέθοδος πεπερασμένου στοιχείου. Αυτό επιτρέπει στον ερευνητή να εξετάσει τις επιρροές των διαφορετικών παραμέτρων με ένα αποδοτικό τρόπο. Πάντως, είναι απαραίτητο να διασφαλιστεί ότι το αριθμητικό μοντέλο είναι σωστό συγκρίνοντας με πειραματικά δεδομένα. Η μέθοδος πεπερασμένου στοιχείου χρησιμοποιήθηκε για να προσομοιωθεί η θερμογραφική δοκιμή στο δοκίμιο ελεγχόμενης ρηγμάτωσης. Χρησιμοποιήθηκαν 3 μοντέλα. Το πρώτο μοντέλο δεν έλαβε υπόψη τη ψύξη μέσω μεταγωγής θερμότητας. Το δεύτερο και τρίτο μοντέλο έλαβαν υπόψη τους τη ψύξη λόγω μεταγωγής οφειλόμενη στην κίνηση του αέρα, όπως είναι σε ένα τυπικό γραφείο με κλιματισμό. (10 W/m²K) και ρευματώδη εργαστήρια (25 W/m²K). Οι ταχύτητες αέρα που είναι χαρακτηριστικές αυτών των περιβάλλοντων είναι 0.25 και 31

36 1.0 m/sec ( Θέρμανση 1999). Αυτές οι τιμές χρησιμοποιήθηκαν για τον υπολογισμό των συντελεστών μεταφοράς θερμότητας για ψύξη λόγω μεταγωγής θερμότητας. Για λόγους απλοποίησης, η επιφανειακή ψύξη λόγω απώλειας ακτινοβολίας δεν λήφθηκε υπόψη Μοντέλα Προσομοίωσης Oι αριθμητικές προσομοιώσεις έγιναν με χρήση πακέτου λογισμικού πεπερασμένου στοιχείου γενικού σκοπού. Για τη μείωση του χρόνου υπολογισμού χρησιμοποιήθηκαν διδιάστατα μοντέλα, δηλαδή τα μοντέλα θεωρήθηκαν να είναι άπειρα στην τρίτη διάσταση. Το φυσικό αντικείμενο προς μοντελοποίηση αποτελείται από μία πλάκα σκυροδέματος μήκους 127 mm και πάχους 20 mm καλυμμένη με ένα έλασμα CFRP. Το έλασμα CFRP είχε πάχος 1.33 mm. Στο κέντρο του δείγματος μεταξύ του υποστρώματος σκυροδέματος και του σύνθετου ελάσματος εισήχθη κενό αέρος πάχους 0.9 mm και μήκους 25.4 mm. H συγκολλητική στρώση μοντελοποιήθηκε σαν στρώση εποξικής κόλλας πάχους 0.9 mm.το φυσικό μοντέλο φαίνεται στα αριστερά του σχήματος 9. Αφού το κενό αέρα εντοπίστηκε στην κεντρική γραμμή του μοντέλου, το αριθμητικό μοντέλο απλοποιήθηκε με χρήση επίπεδης συμμετρίας. Έτσι, μόνο το ένα μισό του αντικειμένου μοντελοποιήθηκε, όπως φαίνεται στα δεξιά του σχ. 9. Σχήμα 9. Δοκίμιο που χρησιμοποιήθηκε στις προσομοιώσεις πεπερασμένου στοιχείου 32