Неразрушающие методы контроля строительных конструкций

Сейсмостойкость зданий и сооружений

Термины
Сейсмостойкость зданий — совокупность параметров объекта, которая позволит ему выдержать определенную нагрузку в случае землетрясения.
Сейсмобезопасность — комплекс мер, направленный на минимизацию разрушительных последствий, вызванных подземными толчками различной силы.

Типы волн

Объемные волны
Поверхностные волны
Типы волн

В каменных зданиях и сооружениях при землетрясении обычно происходят следующие повреждения:
отрыв наружной продольной стены здания от поперечных стен. Об этом свидетельствует вертикальная трещина в их примыканиях;
в простенках помимо трещин часто расслаивается кладка, а в углах возле перемычек образуются выколы и даже обрушения
в местах сопряжения металлических и железобетонных конструкций (балки перекрытий, обвязки, элементы лестничных клеток и лифтовых коробок) с каменной кладкой образуются различные выколы, расслоения, раздавливания и другие повреждения
в угловых соединениях и крестообразных пересечениях стен образуются
вертикальные и ступенчатые (по шву кладки) трещины и нарушения монолитности кладки.
Виды разрушения каменных конструкций

а - трещины от скалывающих усилий в опорном узле; б - трещины, вызванные растяжением нижнего пояса и поперечными силами в одном из узлов этого пояса; в - раздробление бетона в сжатом элементе верхнего пояса и трещина отрыва в нисходящем раскосе
Рисунок 3 - Разрушение элемента железобетонной фермы
а-в - повреждение при увеличении изгибающего момента;
г-е - повреждение стоек каркаса при недостаточном косвенном их армировании
Рисунок 4 - Стадии повреждения колонн
а - начальные трещины в основании колонны;
б и в - обнажение арматурного каркаса на колонне и балке перекрытия
Рисунок 1 - Повреждение защитного слоя железобетонной конструкции
а - начальные трещины в основании колонны;
б и в - обнажение арматурного каркаса на колонне и балке перекрытия
Рисунок 1 - Повреждение защитного слоя железобетонной конструкции
Наиболее характерные повреждения элементов ЖБК

Причины и виды разрушения и повреждений металлических конструкций

Основные принципы проектирования зданий и сооружений для обеспечения сейсмобезопасности

Основные конструктивные меры предотвращения сейсмических разрушений

Магнитный метод контроля параметров армирования ЖБК

Ультрозвуковая дефектоскопия ЖБК и МК

Термины
Дефектоскопия (от лат. defectus — недостаток), комплекс методов и средств неразрушающего контроля материалов и изделий с целью обнаружения дефектов. Дефектоскопия включает: разработку методов и аппаратуру (дефектоскопы и др.); составление методик контроля; обработку показаний дефектоскопов.
Ультразвуковая дефектоскопия, группа методов дефектоскопии, в которых используют проникающую способность упругих волн ультразвукового диапазона частот (иногда звукового).
Ультразвуковая дефектоскопия - один из наиболее универсальных способов неразрушающего контроля, методы которого позволяют обнаруживать поверхностные и глубинные дефекты - трещины, раковины, расслоения в металлических и неметаллических материалах (в том числе сварных и паяных швах, клеёных многослойных конструкциях), определять зоны коррозии металлов, измерять толщину (резонансный метод).

Ультразвук
Ультразвук – упругие колебания и волны высокочастотной части спектра акустических волн. Как известно, в зависимости от частоты упругие волны подразделяют на инфразвуковые (с частотой до 20 Гц), звуковые (от 20 до 2⋅104 Гц), ультразвуковые (от 2⋅104 до 109 Гц) и гиперзвуковые (свыше 109 Гц). Акустические (упругие) волны – распространяющиеся в упругой среде механические возмущения (деформации). Упругие волны могут возникать в любой среде – твердой, жидкой и газообразной. Возмущения от источника передаются частицам среды, которые также начинают колебаться относительно своей точки равновесия. Эти колебания передаются соседним частицам, которые также начинают колебаться, затем колебания передаются все новым и новым частицам и в среде возникает упругая волна. Пространство, в котором распространяются упругие волны, – звуковое или акустическое поле. Упругие волны характеризуются следующими параметрами: длиной λ, частотой f и скоростью распространения c, которые связаны зависимостью λ = c/f.

Импульсные ультразвуковые дефектоскопы
В импульсных дефектоскопах используются эхо-метод, теневой и зеркально-теневой методы контроля.
Эхо-метод основан на посылке в изделие коротких импульсов ультразвуковых колебаний и регистрации интенсивности и времени прихода эхосигналов, отражённых от несплошностей (дефектов).
При теневом методе ультразвуковые колебания, встретив на своём пути дефект, отражаются в обратном направлении.
Зеркально-теневой метод используют вместо или в дополнение к эхо-методу для выявления дефектов, дающих слабое отражение ультразвуковых волн в направлении раздельно-совмещенного преобразователя.

Структурная схема импульсного дефектоскопа
Генератор импульсов 7 вырабатывает импульс электрических колебаний, возбуждающий ультразвуковые колебания в преобразователе 3. Отраженные
от дефекта сигналы поступают на вход усилителя. Коэффициент усиления
регулируется во времени с помощью системы 4 временной регулировки. Далее
сигнал поступает на вход индикатора 6 и автоматического сигнализатора
дефектов. Синхронизатор 8 обеспечивает требуемую последовательность работы
узлов прибора и приводит в действие генератор развертки 9 индикатора.

Способы ввода УЗ волн в изделие
Ультразвуковые волны вводят в контролируемое изделие и принимают отраженные сигналы бесконтактным, контактным сухим (без промежуточной жидкости), контактным через тонкий слой жидкости, струйным и иммерсионным способами.
При контактном способе преобразователь прижимают к поверхности изделия. Возбужденные УЗК от пьезоэлемента распространяются в металле в виде направленного пучка лучей. Если контроль ведется в звуковом диапазоне, то преобразователь и изделие обычно контактируют без смазки (сухой контакт).
При струйном способе между преобразователем и изделием создается зазор, в который непрерывно подается контактная жидкость. В этом случае минимальная толщина слоя жидкости задается ограничителем, создающим между преобразователем и изделием определенный зазор. Этот способ акустической связи используется, если поверхность контролируемого изделия расположена вертикально или имеет переменную кривизну.
При иммерсионном способе акустическая связь между преобразователем и изделием создается значительный слой жидкости. Для этого преобразователь и изделие полностью погружаются в ванну с водой. Так как скорость распространения продольных волн в воде примерно в четыре раза меньше, чем в металлах, то расстояние от преобразователя до передней поверхности изделия должно быть больше четверти толщины изделия.

«Мертвые» зоны и способы их устранения
Важной характеристикой чувствительности ультразвукового контроля является размер мертвой зоны. Наличие мертвой зоны – основной недостаток эхо-метода, который в некоторых случаях ограничивает его применение, снижает надежность и эффективность контроля.
Мертвая зона представляет собой неконтролируемый поверхностный слой, в котором сигнал от дефекта накладывается на зондирующий импульс. Наличие большой мертвой зоны нежелательно, так как приходится увеличивать припуск на обработку изделия и повышать, таким образом, стоимость изготовления. Величина мертвой зоны для прямых преобразователей составляет 40 мм при f=0.7 МГц, 15 мм при f=1.5 МГц, 6-8 мм при f=2.5 МГц и 5-6 мм при f=4-5 МГц.
Одним из путей повышения разрешающей способности и сокращения мертвой зоны является уменьшение длительности зондирующего импульса путем механического демпфирования пьезоэлемента преобразователя, электрической компенсации колебаний пьезоэлемента в режиме излучения и т.д. Механическое демпфирование заключается в том, что к пьезоэлементу приклеивают массивный демпфер, жесткая связь с которым приводит к тому, что после действия возбуждающего колебания последнего быстро затухают. Однако при таком демпфировании снижается добротность колебательного контура и мощность возбуждаемых УЗК.

Ложные сигналы при контроле изделий

УЗ преобразователи
В современных ультразвуковых дефектоскопах применяются преобразователи, рассчитанные на работу по контактному и иммерсионному способам, с возбуждением в контролируемом изделии преимущественно продольных, сдвиговых, поверхностных и нормальных волн. По конструктивному исполнению преобразователи бывают прямыми и наклонными, раздельными, совмещенными и раздельно-совмещенными, с плоской или фигурной контактной поверхностью. Они могут посылать УЗК в изделие по нормали к его поверхности, под углом к нормали или по самой поверхности.
Все преобразователи имеют следующие элементы: корпус, пьезоэлемент, электроды, демпфер, защитное донышко и контактное устройство. В преобразователь могут входить дополнительные элементы для стабилизации силы его прижатия к поверхности контролируемого изделия, подачи контактной среды, изменения угла наклона пьезоэлемента, фиксирования преобразователя относительно детали и т. п.
1 – пластина, покрытая электродами 3.
Пластина наклеивается на демпфер 2.
Между пластиной и средой 6 излучается
Ультразвук располагается несколько
защитных слоев: электрод, протектор 4,
прослойка масла 5.

Преобразователи для контроля эхо-методом

Наклонные преобразователи

Дефектоскопы

Метод проникающих сред
Контроль проникающими веществами - основан на проникновении пробных (или проникающих) веществ в полости дефектов контролируемых объектов.
Данный вид контроля можно разделить:
- капиллярный метод контроля (применяется для выявления поверхностных и сквозных дефектов, основан на капиллярном проникновении в полости дефектов индикаторных жидкостей, хорошо смачивающих материал контролируемого изделия);
контроль герметичности и течеистекания (применяется для выявления только сквозных дефектов (течей)).
КНК предназначен для выявления поверхностных дефектов и их протяженности направления и характера распространения. КНК позволяет контролировать изделия любых размеров и форм, изготавливаемых из не/ферромагнитных черных и цветных металлов и сплавов, бетона, пластмасс, стекла, керамики и любых других твердых конструктивных материалов, которые не растворяются и не набухают в дефектоскопических материалах (ДМ).

Схема определения единичной трещины
При проведении контроля КМ на поверхность КО наносят слой материала индикаторного пенетранта, который способен проникать в дефекты и при этом имеет характерный цветовой тон или способен люминесцировать под действием УФ излучения.
После некоторой выдержки избыток индикаторного пенетранта (ИП) удаляется с контролируемой поверхности дефекта с помощью дефектоскопич. материалов – очистителей. При этом поверхностные и сквозные дефекты остаются заполненными ИП.
Затем на контролируемую поверхность наносят новый дефектоскопический материал – проявитель ИП, который вытягивает в оставшемся дефекте ИП. При этом он несколько расплывается под дефектным участком, образуется индикаторный след, который можно наблюдать при небольшом увеличении или порой невооруженным глазом.

По характеру индикаторных следов и способам их обнаружения КМК подразделяют на 2 группы:
Основные – используют капиллярные явления;
Комбинированные – основаны на сочетании двух или более различных по физической сущности методов НК, одним из которых является капиллярный.
В свою очередь основные НК еще классифицируются
- по типу проникающего вещества:
методы проникающих растворов;
методы фильтрующихся суспензий;
- по способу получения первичной информации:
яркостный (ахроматический);
цветной (хроматический);
люминесцентный;
люминесцентно-цветной.
Под способом получения первичной информации подразумевается конкретный тип датчика или вещества, который используется для измерения и фиксации информационного параметра.
Комбинированный классифицируют в зависимости от характера физических параметров или излучений и особенностей их взаимодействия с КО. Выделяют 6 методов:
капиллярно-электростатический;
капиллярно-электроиндуктивный;
капиллярно-магнитопорошковый;
капиллярно-радиационный излучения;
капиллярно-радиационный поглощения;
капиллярно-акустический (в разработке).
Классификация методов КНК в соответствии с ГОСТ 24522-80, ГОСТ 18353-79

Преимущества:
высокая чувствительность;
высокая достоверность результатов контроля при правильной технологии контроля;
наглядность результатов контроля;
возможность контроля широких участков деталей или сварных соединений изделий за один прием;
возможность контроля изделий сложной формы практически из любых материалов;
простота и универсальность технологических операций контроля;
относительно невысокая стоимость применяемых ДМ, аппаратного оборудования;
возможность быстрой подготовки и переподготовки кадров контролеров.
Недостатки:
возможность определения поверхностных дефектов (в основном) и затруднения при точном определении глубины дефектов;
сложность механизации и автоматизации процесса контроля;
громоздкость стационарного оборудования;
достаточно большая продолжительность контроля;
снижение достоверности результатов контроля при низких температурах;
необходимость тщательной подготовки поверхности к контролю и удаления ДМ после проведения контроля;
токсичность некоторых ДМ для персонала, в связи с этим необходимость использования различных защитных приспособлений и приточно-вытяжной вентиляции в службе НК на данном участке;
ограниченный срок хранения ДМ;
зависимость свойств ДМ от продолжительности хранения и температуры окружающей среды;
субъективность контроля, которая зависит от психофизического состояния и квалификации дефектоскописта, в частности аккуратность, внимательность, добросовестность;
в силу присущей КМК многооперационности контроль является трудоемким;
обеспечение противопожарной безопасности и защиты персонала от вредного воздействия УФИ.
Преимущества и недостатки метода

Преимущества:
высокая чувствительность;
высокая достоверность результатов контроля при правильной технологии контроля;
наглядность результатов контроля;
возможность контроля широких участков деталей или сварных соединений изделий за один прием;
возможность контроля изделий сложной формы практически из любых материалов;
простота и универсальность технологических операций контроля;
относительно невысокая стоимость применяемых ДМ, аппаратного оборудования;
возможность быстрой подготовки и переподготовки кадров контролеров.
Недостатки:
возможность определения поверхностных дефектов (в основном) и затруднения при точном определении глубины дефектов;
сложность механизации и автоматизации процесса контроля;
громоздкость стационарного оборудования;
достаточно большая продолжительность контроля;
снижение достоверности результатов контроля при низких температурах;
необходимость тщательной подготовки поверхности к контролю и удаления ДМ после проведения контроля;
токсичность некоторых ДМ для персонала, в связи с этим необходимость использования различных защитных приспособлений и приточно-вытяжной вентиляции в службе НК на данном участке;
ограниченный срок хранения ДМ;
зависимость свойств ДМ от продолжительности хранения и температуры окружающей среды;
субъективность контроля, которая зависит от психофизического состояния и квалификации дефектоскописта, в частности аккуратность, внимательность, добросовестность;
в силу присущей КМК многооперационности контроль является трудоемким;
обеспечение противопожарной безопасности и защиты персонала от вредного воздействия УФИ.
Преимущества и недостатки метода