شناسایی آسیب در سازه های بتنی

پیشگفتار

از نقط نظر تاثیر بر سازه، دو روش در شناسایی آسیب وجود دارد:
1-روش مخرب
2-روش غیر مخرب

در روش های مخرب با بررسی آسیب سازه یا قطعه خراب می شود که با توجه به اهمیت سلامت، ماندگاری و مداومت بهره برداری سازه ها عملا از این روش برای بررسی آسیب در سازه های عمرانی استفاده نمی شود.  برخی از ازمونهای مخرب عبارتند از: آزمایش کشش، آزمایش خمش، آزمایش ضربه و….
 روش غیرمخرب به روش هایی گفته می شود که موجب آسیب به سازه نمی شوند و کارایی آن سازه بعد از تست کاهش نمی یابد. به دلیل دارا بودن همین ویژگی غیرمخربی، از این روش در شناسایی آسیب های سازه های عمرانی به وفور استفاده می شود و تمرکز این مقاله نیز بر روی همین روش ها می باشد.

 انواع روش های غیرمخرب

 مجموعه ی گوناگونی از روشهای تست غیرمخرب  (non-destructive testing) برای ارزیابی آسیب دسترس هستند. بر اساس طبیعت اصول فیزیکی مورد استفاده در هر یک از این روش ها، آنها به صورت زیر طبقه بندی می شوند:
۱. آزمون رادیوگرافی
۲. آزمون ذرات مغناطیسی
3. آزمون فراصوت
4۔ آزمون مایعات نافذ
۵. آزمون نشتی
۹. روشهای چشمی و نوری
۷. آزمون انتشار امواج صوتی

آزمون رادیوگرافی 

در این روشی از امواج ایکس و گاما برای بررسی آسیب در مواد استفاده می کنند.
آزمون ذرات مغناطیسی
 در این روش ذرات آهن بر روی ماده ای با خاصیت آهنربایی ریخته می شود و میدان مغناطیسی در آن القا میشود، در صورت وجود خراش و یا ترکی بر روی سطح و یا در نزدیکی سطح، در محل عیب قطب های مغناطیسی تشکیل می شود و یا میدان مغناطیسی در آن ناحیه دچار اعوجاج می گردد.
آزمون فراصوت
 در این روش از امواج فراصوت با بسامد بالا و با دامنه کم برای شناسایی آسیب استفاده می شود. 
 آزمون مایعات نافذ 
در این روش سطح قطعه با مایعی رنگی قابل مشاهده و یا فلورسنت که قابلیت نفوذ در مواد را دارد پوشیده می شود و بدین طریق شناسایی آسیب را انجام می دهد.
آزمون نشتی
 روشهای مختلفی برای تشخیص نشتی در مخازن تحت فشار و مانند آن، استفاده می شود که مهمترین آنها عبارتند از: گوشی های الکتریکی، گیج فشار، گاز و یا مانع نافذ.
روش های چشمی و نوری
 این روش ابتدایی ترین، پایه ای ترین و ساده ترین نوع مانیتورینگ سازه می باشد که در آن یک شخص متخصص به صورت چشمی سازه را بازرسی کرده و آسیب ها را شناسایی می کند. در برخی موارد از دوربین ها هم برای تصویربرداری سازه و بررسی آن استفاده می شود. این روش قدیمی و ناقص می باشد: زیرا بستگی به شرایط و شخص کنترل کننده دارد و ممکن است بسیاری از عیوب و آسیب ها از نظر بازدیدکننده پنهان بماند.
آزمون انتشار امواج صوتی
 یکی از قدرتمندترین روش ها برای ارزیابی واقعی سازه روش نشر صوتی (Acoustic Emission)  می باشد. این تکنیک یک ابزار قدرتمند برای ارزیابی هر سیستمی بدون خراب کردن شرایط ماده می باشد. قدمت کاربرد تکنیک نشر صوتی AE  در سازه های بتنی برای مشخص کردن آسیب به بیش از ۵۰ سال می رسد. پروسه ی نشر صوتی شامل استفاده از سنسورهای برای شناسایی انرژی کرنشی آزاد شده است که توسط ترکهای روبه رشد تولید می شود. زمانی که یک ماده ی جامد تحت تنش می باشد، تنش ها و آسیب موجود در آن باعث تولید امواج صوتی می شوند. این امواج در ماده منتشر می شوند و می توان توسط سنسورهایی آنها را دریافت کرد و بر اساس تجزیه و تحلیل این امواج به نوع، مکان و شدت آسیب پی برد.
 داده های نشر صوتی (AE ) در دو شکل پایه ای قابل دریافت هستند:
1. داده پارامتری
2. داده موجی شکل

تحلیل پارامتری 

در مواردی که مقدار بسیار زیادی فعالیت نشر صوتی در بازه ی زمانی کمی داریم، داده ی موجی شکل نمی تواند مناسب باشد. به عبارت دیگر به وسیله شکل پارامتری یک مجموعه از پارامترها سیگنال های نشر صوتی را توصیف می کنند. در روش پایه پارامتری، پارامترهای مشخصه سیگنالی برای ارزیابی میزان آسیب و همچنین شناسایی نوع آسیب مورد استفاده قرار می گیرند. بنابراین دادههای پارامتری راحتتر قابل دسترسی هستند.

 تحلیل موجی شکل 

در طول مانیتور کردن سازه فقط بخشی از پارامترهای سیگنال نشر صوتی به دست می آیند و سیگنال به خودی خود ضبط نمی شود. این روش یک داده کاوی و پردازش سریع را عملی می سازد زیرا این روش مقادیر داده را در پروسه ی دریافت مینیمم (کمینه) می کند. با این وجود، با گسترش و تولید سنسورهای جدید و در دسترس بودن پردازش گر های قوی مانند کامپیوتر ها  دریافت ردیف های چند مجرایی موجی شکل امکان پذیر شده است. مهمترین مشخصه ی روشی موجی شکل نسبت به تحلیل پارامتری عملکرد بهتر آن در تمایز نویز (noise) سیگنال می باشد که برخی موارد توصیف بهتری ارائه می کند. 

به طورکلی کاربرد نشر صوتی در سازه های بتنی شامل سه هدف اصلی می شود:
1- موقعیت یابی آسیب
2- تعیین میزان خسارت
 3-توصیف ماهیت منبع

در این روش ترک ها در سازه به سه دسته تقسیم می شوند :
۱. ترک های کششی
۲. ترک های برشی
۳. ترک های ترکیبی

مهم ترین فاکتور برای یک عملکرد موفقیت آمیز در کاربرد نشر صوتی، سنسورهای قابل اعتماد هستند. انتخاب یک سنسور نشر صوتی مناسب به استفاده ی مشخص تعریف شده بستگی دارد؛ زیرا یک سنسور نشر صوتی انرژی مکانیکی حمل شده به وسیله ی موج الاستیک را به سیگنال الکتریکی تبدیل می کند و در واقع سنسور نقش یک مبدل را ایفا می کند. در کاربردهای نشر صوتی اغلب از پیزوالکتریک ها به عنوان مبدل استفاده می کنند.
– در عمل دو نوع سنسور داریم: سنسورهای رزونانس و سنسورهای پهن باند(پهنای باند بالا). هر نوع از این سنسور ها برای کاربرد های خاصی مناسب هستند. 
  سنسورهای رزونانس در فرکانس رزونانس خودشان بسیار حساس هستند و در مواردی که مشخصه های نشر صوتی مانند دامنه، زمان رسیدن یا انرژی بیشتر از محتوای فرکانسی مورد نظر باشند، سنسورهای نشر صوتی رزونانس مناسب می باشند. این سنسورها توانایی شناسایی جابجایی را ندارند.
 سنسورهای پهن باند توانایی پاسخ یکنواختی به رنج بالایی از فرکانس ها با یک حساسیت یکسان را دارند. علاوه بر آن برای شناسایی جابجایی نیز مناسب میباشند. به دلیل ماهیت ناهمگن بتن، این ماده فرکانس های بالا را رقیق می کند و معمولا با سنسورهایی با فرکانس 60 khz و یا پایین تر بازرسی می شوند، برای الیاف پلیمری تقویت شده (FRP) از سنسورهای با150khz و یا بالاتر و برای فلز از سنسورهای نشر صوتی با 300 khZ استفاده می شود. موقعیت یابی آسیب وارده بر سازه های بتنی به سه طریق صورت می پذیرد:
1-    روش یک بعدی
2-    روش دو بعدی 
3-    روش سه بعدی
 

 نتیجه گیری

تلاش های ارزشمندی به هدف بهبود سیستمهای نشر صوتی، بررسی عملی بودن و مسائل اقتصادی در اجرای این تکنیک برای مانیتور کردن سازه ها صورت گرفته است. علی رغم مشکلات، مسیر تلاشی های موجود و کاربردهای نشر صوتی در مانیتور کردن سازههای بتنی اینده ی روشنی را برای این روش نشان می دهد.

منبع:

فصل نامه علمی تخصصی  سیمان و بتن دانشگاه علم و صنعت ایران
دپارتمان سازه کارگشا، سامانه جامع صنعت ساختمان