Γεωραντάρ Σημειώσεις Εργαστηριακής Άσκησης 2Γ Μαθήματος «ΔΟΜΙΚΑ ΥΛΙΚΑ» 9 ου εξαμ. Σχ. ΧΜ, ΕΜΠ ntua ACADEMIC OPEN COURSES Καθ. Ε.Μ.Π. Α. Μοροπούλου ΕΔΙΠ Κ. Λαμπρόπουλος 1
Άδεια Χρήσης Το παρόν υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons και δημιουργήθηκε στο πλαίσιο του Έργου των Ανοικτών Ακαδημαϊκών Μαθημάτων από τους διδάσκοντες Καθ. Α. Μοροπούλου, ΕΔΙΠ Κ. Λαμπρόπουλο. Για υλικό που υπόκειται σε άδεια χρήσης άλλου τύπου, αυτή πρέπει να αναφέρεται ρητώς.
Αρχή λειτουργίας Το γεωραντάρ χρησιμοποιεί υψηλής συχνότητας (10-10000 MHz), μικρής διάρκειας, ηλεκτρομαγνητικούς παλμούς για αποκάλυψη πληροφοριών στο υπέδαφος. Το ηλεκτρομαγνητικό σήμα (παλμός) παράγεται από έναν πομπό και διοχετεύεται στο υπέδαφος με ταχύτητα που εξαρτάται κυρίως από τις ηλεκτρικές ιδιότητες του υλικού. Κατά την καθοδική διάχυση και όταν ο παλμός συναντήσει διεπιφάνεια υλικών με διαφορετικές ηλεκτρικές ιδιότητες, μέρος της ενέργειας του παλμού ανακλάται ή διαχέεται πίσω στην επιφάνεια (όπου και ανιχνεύεται και καταγράφεται από έναν δέκτη στην επιφάνεια του εδάφους) ενώ η υπολειπόμενη ενέργεια του παλμού διοχετεύεται σε βαθύτερα επίπεδα. 3
Ταχύτητα διάδοσης Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα ταξιδεύουν σε ένα υλικό με καθορισμένη ταχύτητα που εξαρτάται από την ηλεκτρική διαπερατότητα (ο όρος αναφέρεται και ως διηλεκτρική σταθερά) του υλικού (Πίνακας 7 - I). Έτσι ένας παλμός που διαδίδεται μέσα από δύο διαφορετικά υλικά θα αφιχθεί στον ανιχνευτή σε διαφορετικούς χρόνους. Η ταχύτητα διάδοσης του παλμού είναι αντιστρόφως ανάλογη της τετραγωνικής ρίζας της διηλεκτρικής σταθεράς του υλικού: c r όπου ν, η ταχύτητα του ηλεκτρομαγνητικού κύματος, c, η ταχύτητα του φωτός και ε r, η σχετική διαπερατότητα (σχετική διηλεκτρική σταθερά) του υλικού. 4
Προσεγγιστικές ηλεκτρομαγνητικές ιδιότητες διαφόρων υλικών Υλικό Σχετική διαπερατότητα Ταχύτητες παλμού m/ns Αγωγιμότητα ms/m Αέρας 1 0.3 0 Φρέσκο νερό 81 0.033 0.10-30 Θαλασσινό νερό 70 0.033 400 Άμμος (ξηρή) 4-6 0.15-0.12 0.0001-1 Άμμος (κορεσμένη) 25 0.0055 0.1-1 Ιλύς (κορεσμένη) 10 0.095 1-10 Πηλός (κορεσμένος) 8-12 0.106-0.087 100-1000 Ξηρή αμμώδης παραθαλάσσια γη 10 0.095 2 Πάγος από φρέσκο νερό 4 0.15 0.1-10 Πάγος από θαλασσινό νερό 4-12 0.15-0.087 Μόνιμο στρώμα πάγου 4-8 0.15-0.106 0.01-10 Γρανίτης (ξηρός) 5 0.134 0.00001 Ασβεστόλιθος (ξηρός) 7-9 0.113-0.1 0.000001 Δολομίτης 6-8 0.122-0.106 Χαλαζίας 4 0.15 Κάρβουνο 4-5 0.15-0.134 Τσιμέντο 5-10 0.134-0.095 Άσφαλτος 3-5 0.173-0.134 5
Σχηματική διάταξη γεωραντάρ Μονάδα Ελέγχου Αποθήκευση δεδομένων Παρουσίαση δεδομένων Πομπός Απευθείας σύνδεση Δέκτης Παλμός εκπομπής Ανομοιογένεια Ενέργεια που ανακλάται Ενέργεια που διαθλάται Υλικό 2 Υλικό 1 Ενέργεια που διαχέεται 6
Διαγνωστική μελέτη ψηφιδωτών Αγ. Σοφιάς με χρήση γεωραντάρ A. Moropoulou, A. Bakolas, M. Karoglou, E.T. Delegou, K. C. Labropoulos, N S. Katsiotis Diagnostics and protection of Hagia Sophia mosaics", Journal of Cultural Heritage, 14S (2013) e133-e139 Διατάξεις σάρωσης 7
Κεραίες υψηλής συχνότητας (1,6GHz & 2,3GHz) Κεντρική μονάδα ελέγχου ProEx Κύριες μονάδες γεωραντάρ MALÅ ProEx
Υπολογισμός βάθους ανακλαστικής επιφάνειας Στα περισσότερα γεωλογικά υλικά η αγωγιμότητα και η διηλεκτρική σταθερά (σχετική διαπερατότητα) είναι οι ιδιότητες που κυρίως επηρεάζουν τον παλμό και τη διάδοσή του. Οι μεταβολές της μαγνητικής διαπερατότητας είναι συνήθως απειροελάχιστες και ως εκ τούτου αμελητέες. Έτσι το βάθος στο οποίο βρίσκεται η ανακλαστική επιφάνεια (ανακλαστήρας) υπολογίζεται με βάση τον χρόνο διπλής διαδρομής: d 2 t όπου d, το βάθος στο οποίο βρίσκεται ο ανακλαστήρας σε σχέση με την επιφάνεια όπου και βρίσκεται ο πομπός του παλμού, ν, η ταχύτητα διάδοσης του παλμού στο υλικό και t, ο χρόνος διπλής διαδρομής του παλμού (πομπός ανακλαστήρας δέκτης). 9
Μονοδιάστατα ίχνη: Μέτρηση σε ένα σημείο Μονοδιάστατο ίχνος γεωραντάρ. Αρνητική πολικότητα 0 Θετική πολικότητα Στον οριζόντιο άξονα καταγράφεται η πολικότητα της κεραίας ανίχνευσης Στον κάθετο άξονα ο χρόνος διπλής διαδρομής του ηλεκτρομαγνητικού κύματος. Χρόνος διπλής διαδρομής Αντανακλάσεις Εισαγωγικός παλμός Το μονοδιάστατο ίχνος αναφέρεται για μοναδικό σημείο στην επιφάνεια. 10
Δυσδιάστατη τομή: Σάρωση σε έναν άξονα Εξομοίωση δυσδιάστατη τομής υπεδάφους με το πρόγραμμα GPRSIM. Στο άνω μέρος παρουσιάζεται η μορφή του υπεδάφους δύο υλικά όπου το ένα διεισδύει στο άλλο σε μορφή V. Η υπέρθεση των μονοδιάστατων ιχνών παρουσιάζεται στο κάτω μέρος. 11
Οι σημειακοί (ως προς τον άξονα σάρωσης) στόχοι, απεικονίζονται ως υπερβολές Σελ. 12
Προσομοίωση υπόγειων σωληνώσεων 13
Τυπική παρουσίαση Δυσδιάστατων τομών 14
Παραδείγματα δυσδιάστατων τομών 15
Εφαρμογή φίλτρων για βελτιστοποίηση σήματος Σελ. 16
Εφαρμογή φίλτρων για βελτιστοποίηση σήματος 17
Τρισδιάστατες τομές (σάρωση σε δύο άξονες (x-y) 18
Εφαρμογές Μη καταστρεπτική εξέταση τσιμέντου και οπλισμένου σκυροδέματος: Ποιοτικός έλεγχος τσιμέντου, ανίχνευση φθοράς και ανομοιογενειών, εξέταση πάχους τσιμέντου κ.α. Ιστορικά κτήρια - Αρχαιολογία: Αποκάλυψη εσωτερικής δομής τοιχοποιιών, ανίχνευση ρηγματώσεων, αποκάλυψη θεμελιώσεων ιστορικών κτισμάτων και υπολείμματα διαφόρων κατασκευών στο υπέδαφος Χαρτογράφηση υπόγειων σωληνώσεων (ύδρευσης, φυσικού αερίου κ.α.) Εξέταση οδοστρωμάτων: Χαρτογράφηση ατελειών, πάχους ασφάλτου Γεωλογική χαρτογράφηση: Αποκάλυψη της τοπογραφίας των πετρωμάτων, χαρτογράφηση βυθού ποταμών και λιμνών, αποκάλυψη υπόγειων νερών και υπόγειων κοιλοτήτων Ορυχεία: Ανίχνευση πετρωμάτων, κοιλοτήτων και άλλων ανομοιογενειών 19
Εφαρμογή Γεωραντάρ στο Κωδωνοστάσιο του Πανίερου Ναού της Αναστάσεως, Ιεροσόλυμα K. Labropoulos, A. Moropoulou Ground penetrating radar investigation of the bell tower of the church of the Holy Sepulchre, Construction and Building Materials, 47 (2013) 689-700 20
Εφαρμογή Γεωραντάρ στο Κωδωνοστάσιο του Πανίερου Ναού της Αναστάσεως, Ιεροσόλυμα K. Labropoulos, A. Moropoulou Ground penetrating radar investigation of the bell tower of the church of the Holy Sepulchre, Construction and Building Materials, 47 (2013) 689-700 21
Εφαρμογή Γεωραντάρ στο Κωδωνοστάσιο του Πανίερου Ναού της Αναστάσεως, Ιεροσόλυμα K. Labropoulos, A. Moropoulou Ground penetrating radar investigation of the bell tower of the church of the Holy Sepulchre, Construction and Building Materials, 47 (2013) 689-700 22
Εφαρμογή Γεωραντάρ στον Τρούλο του Καθολικού του Πανίερου Ναού της Αναστάσεως, Ιεροσόλυμα A. Moropoulou, K.C. Labropoulos, E.T. Delegou, M. Karoglou, A. Bakolas "Non-Destructive Techniques as a tool for the protection of Built Cultural Heritage", Construction and Building Materials, 48 (2013) 1222-1239 23
Διαγνωστική μελέτη ψηφιδωτών επιφανειών στην Αγιά Σοφιά, Κωνσταντινούπολη A. Moropoulou, K.C. Labropoulos, E.T. Delegou, M. Karoglou, A. Bakolas "Non-Destructive Techniques as a tool for the protection of Built Cultural Heritage", Construction and Building Materials, 48 (2013) 1222-1239 A. Moropoulou, A. Bakolas, M. Karoglou, E.T. Delegou, K. C. Labropoulos, N S. Katsiotis Diagnostics and protection of Hagia Sophia mosaics", Journal of Cultural Heritage, 14S (2013) e133-e139 24
Βιβλιογραφία K. Labropoulos, A. Moropoulou Ground penetrating radar investigation of the bell tower of the church of the Holy Sepulchre, Construction and Building Materials, 47 (2013) 689-700 A. Moropoulou, K.C. Labropoulos, E.T. Delegou, M. Karoglou, A. Bakolas "Non-Destructive Techniques as a tool for the protection of Built Cultural Heritage", Construction and Building Materials, 48 (2013) 1222-1239 A. Moropoulou, A. Bakolas, M. Karoglou, E.T. Delegou, K. C. Labropoulos, N S. Katsiotis Diagnostics and protection of Hagia Sophia mosaics", Journal of Cultural Heritage, 14S (2013) e133-e139 A.I. Moropoulou, K.C. Labropoulos, N.S. Katsiotis «Assessing the preservation state and revealing plastered mosaics in Hagia Sophia using Ground Penetrating Radar» Journal of Materials Science and Engineering A 2 183-189 (2012) A. Bakolas, E.T. Delegou, M. Karoglou, K.C. Labropoulos, A. Moropoulou, An integrated diagnostic study of the building materials of the walls at the Ialyssos Acropolis (Sarantapichos), Rhodes", Scienza e Beni Culturali XXVI, Publ. Arcadia Ricerche Editore Padova, (2013). A. Moropoulou, M. Karoglou, K. C. Labropoulos, E.T. Delegou, N.K. Katsiotis, A. Karagiannis-Bakolas Application of nondestructive techniques to assess the state of Hagia Sophia's mosaics. Proc. SPIE 8346, Smart Sensor Phenomena, Technology, Networks, and Systems Integration 2012, 83460Y (April 26, 2012); doi:10.1117/12.917426. E.T. Delegou, K.V. Labropoulos, E. Ksinopoulou, E. Tsilimantou, E. Oikonomopoulou, J. Sayas, A. Bakolas, A. Moropoulou, Diagnostic strategies for planning of conservation interventions at the Acropolis of Erimokastro, Rhodes, Scienza e Beni Culturali XXV, Publ. Arcadia Ricerche Editore Padova, (2012) A.I. Moropoulou, K. C. Labropoulos, N. S. Katsiotis Application of ground penetrating radar for the assessment of the decay state of Hagia Sophia s mosaics, Emerging Technologies in Non-Destructive Testing V, ed. A.S. Paipetis, T.E. Matikas, D.G. Aggelis, D. Van Hemelrijck, Publ. Balkema, Taylor & Francis Group, (2012) 25-30 A. Moropoulou, A. Bakolas, C. Spyrakos, H. Mouzakis, M. Karoglou, K.C. Labropoulos et al. NDT investigation of Holy Sepulchre Complex structures. Proc. Structural Faults & Repair-2012; in press. 25
Βιβλιογραφία K.C. Labropoulos, N. Katsiotis, E. Xinopoulou, E.Th. Delegou, A. Bakolas, A. Moropoulou Diagnostic study at the acropolis of Sarantapicho and the acropolis of Erimokastro, Rhodes, in Proc. 8 th International Symposium on the Conservation of Monuments in the Mediterranean Basin, Patras, Greece (2010) Moropoulou, A., Avdelidis, N.P., Koui, M., Aggelopoulos, A., Karmis, P., Infrared Thermography and ground penetrating radar for airport pavements assessment, Nondestructive testing and Evaluation, 18, [1] 37-42 (2002) Ground Penetrating Radar 2 nd Edition, Ed. D. J. Daniels, Publ. The Institution of Electrical Engineers, (2004) Mellett, J.S. Ground penetrating radar applications in engineering, environmental management, and geology J. Appl. Geophysics, 33 [1-3] 157-166 (1995) Conyers, L.B. and Goodman D. Ground-penetrating radar, an introduction for archaelogists, Publ. Altamira Press, Walnut Creek, CA (1997) 26
Χρηματοδότηση Το παρόν υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους.