Περιοχή σημαίνει χώρος, θέση, κτήριο ή εργασία, ομάδα κτηρίων ή σύνολο εργασιών μαζί με το σχετικό περιεχόμενο και το περιβάλλον τους.

Transcript

1 Η έννοια της συντήρησης υποδηλώνει όλη τη διαδικασία επίβλεψης της κατάστασης μιας περιοχής έτσι ώστε αυτή να διατηρεί την πολιτιστική σημασία της. Περιλαμβάνει την διατήρηση και μπορεί σύμφωνα με τις περιστάσεις να περιλάβει την αποκατάσταση,την ανακατασκευή,την προσαρμογή αναδημιουργίας και την ερμηνεία και θα είναι συνήθως ένας συνδυασμός περισσοτέρων του ενός από αυτά. Περιοχή σημαίνει χώρος, θέση, κτήριο ή εργασία, ομάδα κτηρίων ή σύνολο εργασιών μαζί με το σχετικό περιεχόμενο και το περιβάλλον τους. Η πολιτιστική σημασία σημαίνει την αισθητική, ιστορική, επιστημονική ή κοινωνική αξία για την προηγούμενη, σημερινή ή μελλοντική γενιά.

2 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 μηχανικού. 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 μηχανικού περιλαμβάνουν τη θερμογραφία γεφυρών και οδών ταχείας κυκλοφορίας, ασφαλτικών καταστρωμάτων, συστημάτων αποχέτευσης, σωλήνων οχετού, κανάλια όμβριων,εσωτερική και εξωτερική θερμογραφία σε κτίρια, ΘΕΩΡΙΑ ΥΠΕΡΥΘΡΗΣ ΘΕΡΜΟΓΡΑΦΙΑΣ

3 ΟΙ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΕΣ Καθημερινά βομβαρδιζόμαστε από ενέργεια σε μορφή ακτινοβολίας. Πρόκειται για την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Ένα μέρος της είναι το ορατό φως. Το μεγαλύτερο, όμως, τμήμα της είναι αόρατο. Αν και κάποια είδη της είναι επικίνδυνα, μπορούμε να την εκμεταλλευτούμε προς όφελός μας. Ο ήλιος, τα αστέρια και οι γαλαξίες εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που φτάνει στη Γη. Ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία παράγεται και τεχνητά. Ορισμένες μορφές αυτής της ακτινοβολίας είναι : τα ραδιοκύματα, τα μικροκύματα, οι υπέρυθρες ακτίνες, το ορατό φως, οι υπεριώδεις ακτίνες, οι ακτίνες Χ και οι ακτίνες γάμμα. Όλες αυτές οι μορφές ταξιδεύουν με την ταχύτητα του φωτός και μπορούν να διαπεράσουν ορισμένα υλικά. Η περιοχή των συχνοτήτων που καλύπτουν τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα λέγεται ηλεκτρομαγνητικό φάσμα. Ηλεκτρομαγνητικό κύμα είναι ένα ηλεκτρικό και ένα μαγνητικό κύμα που διαδίδονται ταυτόχρονα. Το φως και οι άλλες μορφές της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας ταξιδεύουν στο χώρο με τη μορφή των κυμάτων. Ένα τέτοιο κύμα δημιουργείται όταν το ηλεκτρόνιο κάποιου ατόμου χάνει ενέργεια και μεταπηδά σε χαμηλότερη τροχιά ή ενεργειακή στάθμη, κοντά στον πυρήνα. Δημιουργείται, με αυτό τον τρόπο, μια ταλάντωση που διαδίδεται στο χώρο με τη μορφή ενός ηλεκτρικού και ενός μαγνητικού πεδίου. Τα ραδιοκύματα είναι ηλεκτρομαγνητικά κύματα που εκπέμπονται από τους ραδιοφωνικούς και τηλεοπτικούς σταθμούς. Όταν ένας ραδιοφωνικός πομπός τροφοδοτείται με ηλεκτρικό σήμα ορισμένης συχνότητας, παράγει ραδιοκύματα της ίδιας συχνότητας. Οι ραδιοφωνικοί σταθμοί χρησιμοποιούν τη χαμηλότερη ζώνη των ραδιοσυχνοτήτων, ενώ η τηλεόραση εκπέμπει σε πιο υψηλές συχνότητες. Τα μικροκύματα είναι ηλεκτρομαγνητικά κύματα με μικρό μήκος κύματος και παράγονται όπως περίπου και τα ραδιοκύματα, μόνο που έχουν υψηλότερες συχνότητες. Χρησιμοποιούνται για τηλεφωνικές και τηλεοπτικές συνδέσεις. Οι φούρνοι μικροκυμάτων χρησιμοποιούν συχνότητες της τάξης των MΗz για να μαγειρέψουν ή να ζεστάνουν γρήγορα το φαγητό. Το φως είναι μια μορφή ενέργειας. Διαδίδεται με κύματα που κινούνται πιο γρήγορα από οποιαδήποτε άλλη υλική οντότητα του σύμπαντος. Χωρίς το φως θα ήταν αδύνατο να συντηρηθεί η ζωή στον πλανήτη μας. Η πιο σημαντική φυσική πηγή φωτισμού είναι ο Ήλιος, ενώ τεχνητό φωτισμό μάς παρέχει η ηλεκτρική ενέργεια. Το ορατό φως είναι τμήμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας και καλύπτει μια περιοχή μηκών κύματος που <<μεταφράζονται>> από το μάτι στα χρώματα του φωτεινού φάσματος (δηλαδή στα χρώματα του ουρανίου τόξου). Ανάλογα με τις συνθήκες το φως εκδηλώνει ιδιότητες είτε κύματος, είτε δέσμης σωματιδίων. Τα στοιχειώδη σωματίδια-κύματα που δημιουργούν το φως, ονομάζονται φωτόνια. Οι υπέρυθρες ακτίνες είναι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία που εκπέμπεται από πολύ θερμά σώματα.. Το τηλεκοντρόλ της τηλεόρασης ή του βίντεο

4 στέλνει σήματα με ασθενείς δέσμες υπέρυθρων ακτίνων που ρυθμίζουν τη λειτουργία αυτών των συσκευών. Στη θερμογραφία με υπέρυθρες ακτίνες δημιουργούμε εικόνες που απεικονίζουν με διάφορα χρώματα τις θερμές και τις ψυχρές περιοχές ενός αντικειμένου, χρησιμοποιούνται έτσι και για την ανίχνευση του καρκίνου. Το υπέρυθρο φάσμα έχει διάφορες τεχνολογικές χρήσεις συμπεριλαμβανομένης της απόκτησης στόχων και καταδίωξη από το στρατό, τον εξ αποστάσεως υπολογισμό θερμοκρασίας, την ασύρματη επικοινωνία, φασματοσκοπία, καιρική πρόβλεψη και αστρονομία. Οι αισθητήρες ικανοί να καταγράψουν τις υπέρυθρες ακτινοβολίες είναι συνήθως σχεδιασμένοι μόνο για να συλλέξουν τις ακτινοβολίες μέσα σε ένα συγκεκριμένο εύρος ζώνης. Πράγματι η υπέρυθρη ζώνη αρκετά συχνά υποδιαιρείται σε μικρότερα τμήματα που προβάλλουν τα διαφορετικά χαρακτηριστικά γνωρίσματα. Το σύντομο μήκος κύματος IR,, περιέχει μήκη κύματος κοντά στην ορατή σειρά (0.78 μm μέχρι 1.5 μm). Οι εικόνες που αποκτιούνται σε αυτήν την σειρά είναι κατάλληλες για υψηλής θερμοκρασίας αντικείμενα και χρησιμοποιείται συχνά στα λέιζερ εικόνας, όπως στην ανάπτυξη των συστημάτων ραντάρ με ακτίνες laser. Ειδικότερα, η IR μέτρηση ηλιακής ακτινοβολίας στη σειρά μεταξύ 0.8 και 2 μm επιτρέπει την ανάλυση πολλών υλικών που συνθέτουν τα εικονογραφικά στρώματα.τα περισσότερα από τα υλικά που συνθέτουν το στρώμα της ζωγραφικής είναι στην πραγματικότητα τουλάχιστον μερικώς διαφανή στην IR ακτινοβολία, επομένως η απεικόνιση IR επιτρέπει γενικά να δει τα χαρακτηριστικά γνωρίσματα κάτω από τα στρώματα ορατά από το ανθρώπινο μάτι και για να απεικονίσει προσχέδια του καλλιτέχνη (σχήμα 1). Αυτές είναι πολύ χρήσιμες πληροφορίες για να αποφασίσουμε εάν μια ζωγραφική είναι πρωταρχική έκδοση από τον αρχικό καλλιτέχνη ή ένα αντίγραφο, και εάν έχει αλλαχθεί από την εργασία αποκατάστασης. Σχήμα 1. Μια χαρακτηριστική διατομή ζωγραφικής, με τα διαφορετικά στρώματά της και τα wavebands που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για να τους ερευνήσουν. Πιό μεγάλα μήκη κύματος (>8 μm) της ζώνης IR αναφέρονται σαν far -IR. Σε αυτό το μέρος του φάσματος είναι δυνατό να φανεί περιβάλλον με ή χωρίς ορατό φωτισμό. Το ποσό της ακτινοβολίας που εκπέμπεται από από ένα αντικείμενο αυξάνεται με τη θερμοκρασία, επομένως η θερμογραφία επιτρέπει να δούμε τις παραλλαγές στη θερμοκρασία. Όλα τα αντικείμενα επάνω από 0 βαθμούς του Kelvin εκπέμπουν τις θερμικές υπέρυθρες ακτίνες, έτσι τα θερμικά μηχανήματα απεικόνισης μπορούν παθητικά να δουν όλες τις θερμοκρασίες των αντικειμένων. Υπέρυθρες φωτογραφικές μηχανές δίνουν εικόνες από τις αόρατες υπέρυθρες ακτίνες ή θερμότητα ακτινοβολίας και παρέχουν ακριβή ικανότητα εξ αποστάσεως μέτρησης θερμοκρασίας. Επιπλέον, είναι δυνατό να ελέγξει κανείς τη δομή των κτηρίων και να βρει ατέλειες σε ένα μετάλλευμα σε περισσότερα από ένα μέρη μιας δομής.

5 Η θερμογραφία με το far-ir (μέχρι 15 μm) χρησιμοποιούντα για να ανιχνεύσουν ανωμαλίες μόνωσης στους τοίχους και τις στέγες. Εκτός από αυτό, είναι δυνατό να βρεθεί και να καθοριστεί η διαρροή αέρα σε εξωτερικούς τοίχους και στέγες, θερμικές παρατυπίες (σχήμα 2), διείσδυση νερού και συσσώρευση υγρασίας. Η υγρασία μέσα στα υλικά μνημείων πολιτιστικής κληρονομιάς μπορεί να καταστρέψει τη δομική ακεραιότητα και να δημιουργήσει μούχλα. Μια υπέρυθρη φωτογραφική μηχανή παρουσιάζει αμέσως αυτό που είναι υγρό και αυτό που είναι ξηρό. Σχήμα 2. Μια ορατή (ανωτέρω) και θερμογραφική (κατωτέρω) εικόνα. Η ανάλυση IR παρουσιάζει μια πολύ καυτή περιοχή (πιθανώς ένας σωλήνας, εδώ τονισμένος από το περίγραμμα) που περνά επάνω από τις νωπογραφίες και δημιουργεί ζημίες. Εντούτοις εκτελώντας τις σωστές μετρήσεις στο μακροχρόνιο κύμα IR οι εικόνες παρουσιάζουν μερικές δυσκολίες επειδή η αξία της ενέργειας που έλαβε η φωτογραφική μηχανή επηρεάζεται από τα χαρακτηριστικά του υλικού (όπως την ικανότητα ακτινοβολίας) και περιβαλλοντικές συνθήκες (παρουσία φωτός του ήλιου, περιβαλλοντική θερμοκρασία, υγρασία, απόσταση του αντικειμένου, κ.λπ...). Ένα συμβατικό υλικό που είναι διαφανές κοντά στις υπέρυθρες ακτίνες, όμως αδιαφανές για τα μακρά κύματα IR, είναι το κοινό γυαλί. Οι μετρήσεις με θερμογραφική κάμερα σε μη μεταλλικά υλικά είναι εύκολες επειδή αυτά έχουν υψηλούς συντελεστές εκπομπής και αμελητέους συντελεστές ανάκλασης. Αντίθετα, οι θερμογραφικές μετρήσεις σε μέταλλα και γυαλιά είναι εξαιρετικά δύσκολες εξαιτίας του μεγάλου συντελεστή ανάκλασης, αλλά και της σημαντικής μεταβολής του συντελεστή εκπομπής με το μήκος κύματος (επιλεκτικότητα). Εκτός από την περίπτωση θερμογραφικών μετρήσεων σε πολύ λεπτά φύλλα πολυμερών, η θερμογραφία σε πολυμερικά υλικά δεν παρουσιάζει ιδιαίτερα προβλήματα. Στην άλλη πλευρά του ορατού φάσματος υπάρχει η UV (υπεριώδης ακτίνα, Ultraviolet ) ακτινοβολία. Είναι μια ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με ένα μήκος κύματος κοντύτερο από 0.4 μm, αλλά μεγαλύτερο από τις μαλακές ακτίνες X (10-2 μm). Είναι πιθανό να υποδιαιρεθεί στο UV ( μm), far UV ( μm) και deep UV (<0.1 μm). Στο έργο τέχνης οι μελέτες, κοντά στις UV εικόνες χρησιμοποιούνται συνήθως για να προσδιορίσουν διαφορετικά βερνίκια και ζωγραφιές που έγιναν πάνω από το αρχικό σχέδιο, ειδικότερα με προκληθέντα ορατά συστήματα απεικόνισης φθορισμού. Όταν UV φως εκπέμπεται επάνω σε ένα αντικείμενο, το αποτέλεσμα είναι η

6 εκπομπή των φωτονίων μέσα στην ορατή περιοχή του φάσματος. Αυτό το φαινόμενο, αποκαλούμενο φθορισμός, εμφανίζεται όταν τα ελαφριά φωτόνια της υψηλής ενέργειας απορροφούνται και επανεκπέμπονται στις ορατές περιοχές μηκών κύματος.πράγματι, φωτόνια στην UV περιοχή του φάσματος απορροφούνται από το βερνίκι ζωγραφικής και αυτή η επίδραση, απεικονισμένη με εξειδικευμένα συστήματα, επιτρέπει να χαρακτηρίσουμε το υλικό που χρησιμοποιείται, αξιολογεί την περιοχή συντήρησης έργου τέχνης ή εντοπίζει τα ρετουσαρίσματα και τις προηγούμενες αποκαταστάσεις. Σε μια ζωγραφική τα μεγαλύτερης ηλικίας βερνίκια έχουν διαφορετικές ιδιότητες φθορισμού από τα νέα βερνίκια και μερικές σύγχρονες χρωστικές ουσίες έχουν διαφορετική εκπομπή φθορισμού από τις παραδοσιακές χρωστικές ουσίες, ακόμα κι αν φαίνεται όμοιος κάτω από το ορατό φως. Και ο φθορισμός των έργων ζωγραφικής λαδιού κάτω από υπεριώδες φως παρουσιάζει οποιαδήποτε αποκατάσταση έχει γίνει. Όχι μόνο τα έργα ζωγραφικής μπορούν να αναλυθούν με το UV αλλά και άλλα αντικείμενα όπως πορσελάνη, κεραμικά και έγγραφα τέχνης δείχνοντας τις υποθετικές επισκευές και τις ρωγμές. Οι υπεριώδεις ακτίνες έρχονται από τον Ηλιο, αλλά παράγονται και από λαμπτήρες φθορισμού. Βοηθάνε το σώμα μας να παράγει βιταμίνες, αλλά σε μεγάλες δόσεις προκαλούν βλάβες στα μάτια και το δέρμα μας. Το στρώμα του όζοντος στην ατμόσφαιρα, απορροφά το μεγαλύτερο μέρος τους, αλλά η ατμοσφαιρική ρύπανση έχει εξασθενίσει αυτό το στρώμα, με αποτέλεσμα να αυξάνονται επικίνδυνα οι δόσεις της υπεριώδους ακτινοβολίας που βομβαρδίζει τη Γη. Εκτός από αυτές, υπάρχουν και άλλες ακτινοβολίες που επιδρούν άμεσα και στην υγεία μας όπως, για παράδειγμα, οι ακτίνες Χ. Οι ακτίνες Χ, που λέγονται και ακτίνες Roentgen είναι ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία πολύ υψηλής συχνότητας. Παράγεται όταν σε ειδικό σωλήνα μια δέσμη ηλεκτρονίων προσκρούει σε μεταλλικό στόχο αναγκάζοντάς τον να εκπέμψει ακτίνες Χ. Οι γιατροί χρησιμοποιούν ακτίνες Χ για να φωτογραφίσουν δόντια και οστά, στο εσωτερικό του σώματος (ακτινογραφίες). Οι ακτίνες διαπερνούν τα μαλακά μέρη του σώματος και προσβάλλουν ένα φιλμ ή μια οθόνη, δημιουργώντας είδωλα των οστών ή των δοντιών. Είναι επικίνδυνες σε μεγάλες δόσεις, αλλά η ελεγχόμενη χρήση τους βοηθάει στην αναχαίτιση του καρκίνου. Οι ακτίνες γάμμα (γ), είναι ακτίνες υψηλής ενέργειας που εκπέμπονται από κάποιο ραδιενεργό στοιχείο. Είναι ίδιας φύσης με τις ακτίνες Χ, αλλά χαρακτηρίζονται από μικρότερα μήκη κύματος. Αυτό σημαίνει ότι είναι σε θέση να διαπεράσουν τα περισσότερα υλικά. Η ακτινοβολία γάμμα ενδέχεται να συνοδεύει την εκπομπή σωματιδίων άλφα ή βήτα. Συνήθως δεν εκπέμπεται μόνη της και έχει έντονες βιολογικές επιδράσεις. Οι ακτίνες βήτα (β), είναι ουσιαστικά ηλεκτρόνια τα οποία κινούνται με πολύ μεγάλες ταχύτητες που φτάνουν μέχρι και χλμ. ανά δευτερόλεπτο. Εκτοξεύονται από ραδιενεργούς πυρήνες και έχουν αρκετά μεγάλη διεισδυτική ικανότητα, μικρότερη όμως από τις ακτίνες γάμμα. Οι ακτίνες άλφα (α), είναι σωματίδια με θετικό φορτίο, συγκεκριμένα είναι πυρήνες ηλίου με ταχύτητες μέχρι χλμ. ανά δευτερόλεπτο, έτσι επειδή και η μάζα τους είναι αρκετά μεγάλη έχουν μεγάλη κινητική ενέργεια και προκαλούν ισχυρό ιονισμό. Τελειώνοντας αυτό το μικρό αφιέρωμα στα διάφορα είδη των ακτινοβολιών ας αναφέρουμε και μερικά βιογραφικά στοιχεία των ανθρώπων εκείνων που

7 συνέβαλαν με τις προσπάθειές τους στην καλύτερη κατανόηση της φύσης και της χρήσης των διαφόρων μορφών ακτινοβολίας. Αντουάν Ανρί Μπεκερέλ (Γάλλος φυσικός ) Ο Μπεκερέλ ανακάλυψε την ραδιενέργεια το 1896, όταν τοποθέτησε πάνω σε μια φωτογραφική πλάκα τυλιγμένη με μαύρο χαρτί, μια ένωση ουρανίου και εμφανίζοντάς την παρατήρησε ότι είχε θολώσει, πράγμα που αποδείκνυε ότι το χαρτί είχε διαπεραστεί από ακτίνες οι οποίες εκπέμπονταν από την ένωση. Αργότερα η γαλλίδα χημικός Μαρία Κιουρί ονόμασε αυτό το φαινόμενο ραδιενέργεια. Βίλχεμ Ρέντγκεν (Γερμανός φυσικός ) Ανακάλυψε τις ακτίνες Χ το 1895, όταν παρατήρησε ότι ένας σωλήνας καθοδικών ακτίνων έκανε ένα φύλλο χαρτί, που ήταν αλειμμένο με μια ένωση βαρίου και τοποθετημένο σε κάποια απόσταση από την κάθοδο, να λάμπει έντονα. Ο σωλήνας εξέπεμπε ακτίνες, που έκαναν τη χημική ένωση να λάμπει. Ο Ρέντγκεν ονόμασε αυτή την ακτινοβολία "ακτίνες Χ" (μια και το γράμμα Χ συνήθως συμβολίζει άγνωστα μεγέθη). Χάινριχ Χερτς (Γερμανός φυσικός ) Ο Μάξγουελ είχε προβλέψει την ύπαρξη των ραδιοκυμάτων, αλλά ο Χάινριχ Χερτς παρατήρησε ότι, όποτε δημιουργούσε ένα μεγάλο σπινθήρα κοντά σε διάκενο μιας συρμάτινης περιέλιξης, ένας μικρός παλμός πήδαγε το διάκενο και ταξίδευε πάνω στο σύρμα. Ο σπινθήρας προκαλούσε ραδιοκύματα που γεννούσαν ηλεκτρικούς παλμούς στην περιέλιξη. Η ανακάλυψη του Χερτς οδήγησε στην ανάπτυξη της ραδιοφωνίας από τον Μαρκόνι. ΑΡΧΕΣ ΤΗΣ ΜΕΤΑΦΟΡΑΣ ΘΕΡΜΟΤΗΤΑΣ Εικόνα 3: Μεταφορά θερμότητας με αγωγή Η θερμότητα μεταδίδεται δια μέσου της μάζας των σωμάτων. Η δυσκολία της μεταφοράς της θερμότητας δια μέσου των σωμάτων, εξαρτάται από την αγωγιμότητα του σώματος. Παράδειγμα καλών αγωγών είναι τα μέταλλα, ενώ αντίστοιχα παράδειγμα κακών αγωγών είναι τα πλαστικά, το ξύλο και ο αέρας. Η μεταφορά με αγωγή έχει σαν συνέπεια, απώλειες θερμότητας από ένα κτήριο. Οι απώλειες αυτές μπορούν να μειωθούν με την χρήση μονωτικών υλικών. Ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας λ [W/m*K] των υλικών είναι δείκτης της ικανότητας μεταφοράς θερμότητας των υλικών διαμέσου της μάζας τους. Το ποσό της θερμότητας που μεταφέρεται από πέτασμα με συγκεκριμένη επιφάνεια για δεδομένο πάχος διατυπώνεται ως εξής.

8 Όπου: Q Η ποσότητα της θερμότητας η οποία διέρχεται σε μία ώρα από την μία πλευρά στην άλλη λ ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας του υλικού F το εμβαδόν της επιφάνειας t1 θερμοκρασία της εσωτερικής επιφάνειας της κατασκευής t2 θερμοκρασία της εξωτερικής επιφάνειας της κατασκευής d το πάχος του υλικού z ο χρόνος ροής του θερμότητας Η εξίσωση αυτή είναι γνωστή ως νόμος μεταφοράς του Fourier Μεταφορά της θερμότητας με θερμική μεταβίβαση Η θερμότητα σε ένα ρευστό μεταφέρεται και μέσω της μάζας του με την κίνηση του. Αν η κίνηση γίνεται σε φυσικό μέσο όπου υπάρχουν θερμοκρασιακές διαφορές (ο κρύος αέρας κινείται προς τα κάτω ενώ ο ζεστός αέρας κινείται προς τα πάνω) την κίνηση αυτή την ονομάζουμε φυσική διάχυση ενώ αν η κίνηση γίνεται βεβιασμένα (ανεμιστήρες, ανεμοπίεση) την ονομάζουμε βίαιη διάχυση. Η μεταφορά θερμότητας με θερμική μεταβίβαση είναι μακροσκοπικό φαινόμενο και παρατηρείται κατά την διάχυση των ρευστών. Η διαφορά πυκνοτήτων διαφόρων ρευστών προκαλεί φυσική διάχυση. Αντίστοιχα η μηχανική ανάμειξη προκαλεί βεβιασμένη διάχυση. Μεταφορά με θερμική μεταβίβαση παρατηρείται και μεταξύ ρευστού με στερεό σώμα. Έτσι παρατηρείται μεταφορά με θερμική μεταβίβαση από ένα αέριο στην τοιχοποιία, όπως φαίνεται στο σχήμα. Σχήμα 4: Μεταφορά θερμότητας με διάχυση Σχήμα 5: Μεταφορά θερμότητας με διάχυση (μεταβίβαση) Το ποσό της μεταφερόμενης θερμότητας υπολογίζεται ως εξής Επειδή δεν μπορεί να προσδιοριστεί το πάχος του στρώματος στο οποίο γίνεται η διάχυση της θερμότητας, ο παράγοντας λ/x αντικαθίσταται με έναν διορθωτικό συντελεστή α [W/m2 K]που ονομάζεται συντελεστής θερμικής

9 μεταβιβάσεως και εξαρτάται από την κινητική κατάσταση του αέρα. Η μεταφορά της θερμότητας από τον εσωτερικό χώρο προς το περιβάλλον διατυπώνεται ως εξής: Όπου: Q Το ποσόν θερμότητας που διέρχεται σε μία ώρα από τον εσωτερικό χώρο στο περιβάλλον Κ ο συντελεστής θερμοπερατότητας του απλού μέλους κατασκευής λ ο συντελεστής θερμικής αγωγιμότητας του υλικού F το εμβαδόν της επιφάνειας α συντελεστής θερμικής μεταβίβασης (i εσωτερικού χώρου, a εξωτερικού χώρου) tli η θερμοκρασία στο εσωτερικό του χώρου tla η θερμοκρασία περιβάλλοντος t1 θερμοκρασία της εσωτερικής επιφάνειας της κατασκευής t2 θερμοκρασία της εξωτερικής επιφάνειας της κατασκευής d το πάχος του υλικού z ο χρόνος ροής του θερμότητας Εικόνα 6: Μεταφορά θερμότητας μέσω τοίχου Μεταφορά με ακτινοβολία Όλα τα σώματα εκπέμπουν ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία η οποία εξαρτάται από την θερμοκρασία που βρίσκονται, τον συντελεστή εκπομπής τους, και διάφορες άλλες παραμέτρους. Η ηλιακή ενέργεια φτάνει στην γη αποκλειστικά με αυτό τον τρόπο μεταφοράς. Η μεταφορά θερμότητας με ακτινοβολία μεταδίδεται με ηλεκτρομαγνητικά κύματα και δεν απαιτείται η παρουσία ενός ενδιάμεσου μέσου. Όταν η ακτινοβολία προσπέσει σε ένα άλλο σώμα ή θα απορροφηθεί ή θα ανακλαστεί η θα μεταφερθεί. Η θερμότητα που απορροφάται εμφανίζεται ως αύξηση θερμοκρασίας ενός σώματος. Η ενέργεια που εκπέμπεται από ένα σώμα εκφράζεται ως εξής: Όπου q εκπεμπόμενη ενέργεια [w/m2] ε συντελεστής εκπομπής υλικού σ σταθερά Stefan - Boltzmann Τ απόλυτη θερμοκρασία K Η εξίσωση αυτή είναι γνωστή ως νόμος των Stefan Boltzmann. Οι ιδιότητες αυτές αξιοποιούνται από την θερμογραφία έτσι ώστε να προκύπτουν τα θερμογραφήματα.

10 ΥΠΕΡΥΘΡΗ ΘΕΡΜΟΓΡΑΦΙΑ Η υπέρυθρη θερμογραφία βασίζεται στην αρχή ότι οι υποεπιφανειακές 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 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 ενέργεια 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, Τα, με βάση το νόμο των Stefan-Boltzmann : 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 μηχανικού είναι ότι αν οι ατέλειες βρίσκονται βαθειά μέσα στο υλικό 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 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

11 μεταφορά θερμότητας οφειλόμενη στη μεταγωγή επηρεάζει τη θερμική ακτινοβόληση από την επιφάνεια 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, μπορούν να γίνουν διορθώσεις στα δεδομένα μετρήσεων λαμβάνοντας υπόψη τις επιρροές της εκπεμπτικότητας, της ταχύτητας του ανέμου, της περιβάλλουσας 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 επαρκή πληροφόρηση σχετικά με το βάθος των ατελειών, καθώς αυτή απεικονίζει την ακτινοβόληση από την επιφάνεια. 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 Συνθήκες μετρήσεως σε κτήρια Κατά την διάρκεια των μετρήσεων για την μεγαλύτερη δυνατή ακρίβεια πρέπει να έχουμε όσο το δυνατό μεγαλύτερες διαφορές θερμοκρασιών ανάμεσα στο εσωτερικό της κατασκευής και το περιβάλλον. Ο ιδανικότερος χρόνος μέτρησης είναι το χειμώνα ημέρα με ελάχιστη ή κατά προτίμηση καθόλου ηλιοφάνεια. Η προς μέτρηση επιφάνεια πρέπει να είναι κατά το δυνατόν κάθετη προς τον άξονα της μέτρησης. Η θερμογραφία μας εξυπηρετεί στο να ερμηνεύσουμε την κατάσταση αλλά και μερικές φορές το είδος των υλικών που βρίσκονται στην κατασκευή. Ποιοτικά μας βοηθάει: Θεωρητικές αρχές υπέρυθρης θερμογραφίας Η υπέρυθρη θερμογραφία, σαν ένα εργαλείο για τη μη καταστροφική

12 ανίχνευση ρωγμών που βρίσκονται στο υπόστρωμα κατασκευών, 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) : όπου W: ένταση εκπομπής ( W/m2 ), ε: εκπεμπτικότητα δοκιμίου (αδιάστατο), σ: σταθερά Stefan-Boltzmann [5.67x10 8W/m2 /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 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 : 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) : όπου : συνάρτηση Laplace. Στο καρτεσιανό σύστημα συντεταγμένων, η συνάρτηση Laplace ορίζεται ως :

13 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) : 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)]: 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 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

14 δοκιμίου. Οι επιφανειακές θερμοκρασίες πάνω από τη ρωγμή και στο βάθος, όπου δεν υπάρχει εσωτερική ρωγμή, καταγράφονται (σχ.8). 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 : 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. Σχήμα 8. Σχηματικό διάγραμμα της μεθόδου υπέρυθρης θερμογραφίας για την ανίχνευση ύπαρξης ρωγμής βασισμένη στη διαφορά επιφανειακής θερμοκρασίας 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 9. Δοκίμιο δοκιμής ελεγχόμενης ρηγμάτωσης 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 9. 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.

15 Πίνακας 1. Σύνοψη των προσομοιωμένων ρωγμών Δυο θερμοστοιχεία τοποθετήθηκαν στην εποξική κόλλα μεταξύ του σκυροδέματος και του ελάσματος CFRP, όπως παρουσιάζεται στο σχήμα 9. 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 10 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 10. 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 διαλέξει μεταξύ της χρήσης μικρής διάρκειας περιόδου θέρμανσης με μεγάλης έντασης ροή, ή αντιστρόφως. Οι μελέτες παραμέτρων υποδηλώνουν ότι για τις διάφορες εφαρμογές, 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

16 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 μετρηθείσα 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 (υδράργυροςκάδμιο- τελλουρίδιο) 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. 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 εποξική 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 θερμοστοιχείο με χρήση τριών σημειακών οργάνων μέτρησης. Η τιμή

17 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=2. 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.11). Σχήμα 11. Πειραματικό στήσιμο για τη μέτρηση της προσπίπτουσας θερμικής ροής Τρεις μετρήσεις θερμικής ροής ελήφθησαν. Η μέγιστη ένταση θερμικής ροής ήταν 1750 W/m² μετρημένη στα 10 sec. O πίνακας 2 συνοψίζει τα δεδομένα εισαγόμενης θερμικής ροής, και το σχήμα 12 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) :

18 όπου ε λ (Τ) : φασματική εκπεμπτικότητα για την εκπομπή ακτινοβολίας σε θερμοκρασία Τ, και α λ (Τ) : φασματική απορροφητικότητα για ακτινοβολία που έρχεται από ένα σώμα που απορροφά όλη την ακτινοβολία, επίσης σε θερμοκρασία Τ. Συνεπώς, η απορροφούμενη ακτινοβολία μπορεί να εκφραστεί σαν Συνεπώς, η θερμική ροή που απορροφάται από το FRP είναι 80% της προσπίπτουσας θερμικής ροής που μετρήθηκε από τον αισθητήρα. Πίνακας 2. Μετρήσεις Θερμικής Ροής 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 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 12. 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 σαν συνάρτηση του χρόνου.

19 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. 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 ) από τα θερμοκρασιακά δεδομένα της πρώτης μέτρησης (T defect ). 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

20 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 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 defect T background ) για τη διαδικασία θερμογραφίας 1 του κενού αέρα (με χρήση 10βάθμιου φίλτρου μέσου όρου) Σχήμα 8. Θερμικό σήμα (T defect T background) για τη διαδικασία θερμογραφίας 2 του κενού αέρα (με χρήση 10βάθμιου φίλτρου μέσου όρου) 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 1.0 m/sec). 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

21 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 Οι ιδιότητες υλικού που χρησιμοποιήθηκαν στο μοντέλο ήταν αυτές του σκυροδέματος για το υπόστρωμα, του αέρα για την ατέλεια, του CFRP για το συγκολλημένο σύνθετο και της εποξικής κόλλας για την κόλληση. Το έλασμα CFRP είχε ίνες κατά τη διαμήκη διεύθυνση (x-άξονας στο σχ.9). Οι ιδιότητες υλικού του αέρα και του σκυροδέματος συγκεντρώθηκαν από τη βιβλιογραφία, και αυτές του FRP και της εποξικής κόλλας υπολογίστηκαν από τα δεδομένα που παρέχονται από τους κατασκευαστές. Οι θερμικές ιδιότητες του CFRP διαφέρουν σημαντικά μεταξύ των προϊόντων. Οι διαφορές οφείλονται στο ογκομετρικό κλάσμα των ινών που χρησιμοποιούνται (το οποίο είναι συνήθως μεγαλύτερο από 68%) και τις ιδιότητες υλικού των ινών και του πολυμερούς περιβλήματος. Επιπρόσθετα, οι θερμικές ιδιότητες των ινών του άνθρακα μπορεί να διαφέρουν ευρέως. Για παράδειγμα, μια εμπορικά διατιθέμενη ίνα υψηλής αντοχής αναφέρεται ότι έχει θερμική αγωγιμότητα 9.38 W/m K, ενώ ο ισοδύναμος υψηλός διαιρέτης αναφέρεται να έχει θερμική αγωγιμότητα 68.7 W/m K. Αφού οι θερμικές ιδιότητες υλικού του σύνθετου FRP που χρησιμοποιήθηκε σε αυτό το πείραμα ήταν άγνωστες, οι τιμές υπολογίστηκαν από διαθέσιμες πληροφορίες. Οι τιμές των ιδιοτήτων υλικού που χρησιμοποιήθηκαν στις προσομοιώσεις πεπερασμένου στοιχείου φαίνονται στον πίνακα 3. Πίνακας 3. Ιδιότητες υλικού που χρησιμοποιήθηκαν σε αριθμητικές προσομοιώσεις Το αριθμητικό μοντέλο πλέχθηκε με χρήση διδιάστατων στερεών στοιχείων και επιφανειακών στοιχείων. Τα στερεά στοιχεία ήταν οχτάκομβα τετράπλευρα στοιχεία. Τα επιφανειακά στοιχεία χρησιμοποιήθηκαν για να προσομοιωθεί η ψύξη λόγω μεταγωγής θερμότητας. Τα διδιάστατα επίπεδα επιφανειακά στοιχεία είχαν δυο κόμβους. Ένας πρόσθετος κόμβος προστέθηκε και συνδέθηκε στα επιφανειακά στοιχεία για την παροχή της εισαγωγής για την περιβάλλουσα θερμοκρασία. Κάθε κόμβος του μοντέλου είχε ένα βαθμό ελευθερίας, τη θερμοκρασία. Το χαρτογραφημένο πλέγμα χρησιμοποιήθηκε για να επιτρέψει άμεσο έλεγχο του μεγέθους του στοιχείου. Το γενικό μέγεθος στοιχείου ορίστηκε στο 0.1 mm. Εφαρμόστηκε ραφινάρισμα πλέγματος στη λεπτή σύνθετη στρώση και στη διεπιφάνεια FRP/σκυροδέματος. Το πάχος του σύνθετου ελάσματος υποδιαιρέθηκε σε τέσσερα στοιχεία, ενώ το πάχος της ρωγμής υποδιαιρέθηκε σε τρία στοιχεία. Το υπόλοιπο υπόστρωμα σκυροδέματος πλέχθηκε