تاثیر مغناطیس بر ارزیابی سازه های بتنی مسلح با استفاده از روش های مغناطیسی DC
خلاصه
روش مغناطیسی امیدوارکننده ترین روشی است که می تواند برای بازرسی مناطق وسیعی از سازه های بتن مسلح (RC) استفاده شود. مغناطیس کردن یک فرآیند حیاتی در این روش است. هدف این مقاله ارائه تاثیر روش مغناطیس سازی بر نتایج در تشخیص میلگردهای مسلح (میلگرد) و ارزیابی ضخامت پوشش بتن در سازه های بتن مسلح (RC) است. سه مورد (بدون مغناطش، مغناطش قطبی، و مغناطش قطب مخالف) در آزمایش‌ها در نظر گرفته شد. نتایج به دست آمده در تمام روش ها ارائه و ارزیابی می شود. دو عنصر حسگر مختلف در اندازه‌گیری‌ها استفاده شد: یک سنسور مغناطیسی نوری (MO) و یک حسگر AMR. مزایا و معایب هر دو مبدل ذکر شده در چارچوب یک بازرسی مناطق بزرگ ارائه و مورد بحث قرار گرفته است. رویکرد جدید شامل استفاده از روشهای مختلف مغناطیسی برای بهبود نتایج اندازه‌گیری برای ساختارهای پیچیده است.
معرفی
روش های غیر مخرب آزمایش سازه های بتنی
برای بیش از یک قرن، بتن مسلح (RC) یک مصالح ساختمانی غالب برای سازه ها در هر نوع و اندازه بوده است. معمولاً ساختمان هایی از این نوع برای 50 تا 100 سال زمان بهره برداری طراحی می شوند. با این حال، برآورد طول عمر باقیمانده یک سازه خاص چالش برانگیز است زیرا بسیاری از عوامل مختلف بر آن تأثیر دارند. بسیاری از سازه های ساخته شده در آغاز قرن بیستم هنوز در خدمت هستند. بنابراین، در اکثر کشورها، بازرسی های دوره ای از سازه های قدیمی بر اساس آیین نامه ساختمانی (معمولاً یک بار در هر پنج سال) الزامی است. حتی آزمایش‌های پذیرش ساخت‌وساز جدید نیز برای تعیین اینکه آیا الزامات یک مشخصات یا قرارداد برآورده شده است انجام می‌شود. الزامات ممکن است شامل بررسی کلاس، قطر و آرایش میلگردها در بتن باشد.
روش های مهم الکترومغناطیسی
بتن مسلح را می توان به روش های مختلف آزمایش کرد. این روش ها از مخرب، تا نیمه مخرب (در جایی که بتن تا حدی آسیب دیده است)، تا آزمایش کاملا غیر مخرب (NDT) را شامل می شود. روشهای NDT معمولاً ارزان‌تر و سریع‌تر از روشهای گروه‌های دیگر هستند. بر خلاف مخرب و نیمه مخرب، آن ها همچنین می توانند به راحتی در بسیاری از نقاط جسم مورد آزمایش استفاده شوند. بنابراین، آن ها وضعیت واقعی تسهیلات را بهتر منعکس می کنند.
تنها روش هایی که از موج الکترومغناطیسی و مکانیکی استفاده می کنند می توانند به طور موثر برای ارزیابی تقویت مستقیم استفاده شوند. روش های زیر را می توان در گروه مکانیکی متمایز کرد: روش های تست اولتراسونیک فعال با فرکانس بالا. روشهای مکانیکی فعال با فرکانس پایین و انتشار غیرفعال آکوستیک (AE).
روش های الکترومغناطیسی جهانی نیستند، اما از طرف دیگر مزایای زیادی نسبت به روش های مکانیکی دارند. مهمترین تفاوت این است که نتایج روشهای مکانیکی تحت تأثیر عوامل بسیاری قرار می‌گیرد، زیرا پدیده‌های مختلف ممکن است انتشار امواج مکانیکی در ساختارهای پیچیده را مختل کنند. بنابراین، روش های الکترومغناطیسی و مغناطیسی برای ارزیابی عناصر تقویت کننده در سازه های بتنی ترجیح داده می شود.
روش های الکترومغناطیسی ممکن است برای بومی سازی میلگردها در سازه، تخمین دقیق پارامترهای ساختاری (مانند ضخامت پوشش بتنی، قطر میلگرد، کلاس میلگردها و تشخیص خوردگی یا سایر عیوب) مورد استفاده قرار گیرد. مهم ترین مزایای روش های این گروه، تاثیر مستقیم بر آرماتور، میرایی کم امواج الکترومغناطیسی توسط بتن و طیف فرکانس های قابل استفاده بالا است.
روش های الکترومغناطیسی NDT را می توان بر اساس فرکانس تحریک استفاده شده طبقه بندی کرد. این فرکانس برای همه روش هایی که از امواج مکانیکی یا الکترومغناطیسی استفاده می کنند بسیار مهم است. بر وضوح و برد مؤثر تأثیر می گذارد. همین روش ممکن است وضوح خوب و برد محدود (فرکانس بالا) یا محدوده موثر خوب و وضوح پایین (فرکانس پایین) داشته باشد. در ساده سازی، می توان فرض کرد که کوچکترین اندازه نقص قابل تشخیص تقریباً با طول موج فرکانس تحریک قابل مقایسه است. محدوده نفوذ به فرکانس تحریک و نفوذپذیری مغناطیسی بتن و فولاد بستگی دارد. تقسیم بندی اساسی روش های NDT به دلیل فرکانس تحریک نشان داده شده است.
مهمترین روش NDT میدان مغناطیسی AC که در مهندسی عمران استفاده می شود، روش جریان گردابی (EC) است. در این روش، محدوده فرکانس تحریک معمولی از 0.5 تا 10 کیلوهرتز (برای سازه های بتن مسلح) است. روش جریان گردابی نه تنها برای تشخیص وجود میلگردها بلکه برای تعیین ضخامت پوشش بتنی، قطر میلگرد، آلیاژ میلگردهای تقویت کننده (به دلیل خواص الکتریکی متفاوت) و یا حتی برای تشخیص خوردگی میلگردها قابل استفاده است. محدوده موثر روش جریان گردابی از 0 تا حدود 100 میلی متر است. نتایج می توانند واقعا دقیق و نسبتاً آسان برای تفسیر باشند. فرکانس‌های تحریک پایین‌تر ممکن است در برخی از نسخه‌های نشت شار مغناطیسی (MFL) و ارزیابی ارتعاش ناشی از نیروی مغناطیسی روش MFIVE یا در روش مشابه MFIVE که در توضیح داده شده است، استفاده شود. هر دوی این روش ها از امواج مغناطیسی با فرکانس پایین برای القای لرزش میلگرد استفاده می کنند. فرکانس های طبیعی آرماتورها را می توان برای تشخیص جداشدگی سازه، که معمولاً در اثر خوردگی ایجاد می شود، استفاده کرد.
یکی دیگر از روش های مهم الکترومغناطیسی، رادار نفوذی زمین (GPR) است. فرکانس کاری استاندارد از 100 مگاهرتز تا 3 گیگاهرتز متغیر است. میلگردها را می توان از فاصله چند سانتی متری تا ده متری یا بیشتر تشخیص داد (زمانی که سایر روش های الکترومغناطیسی حداکثر برد تشخیص را بیشتر از 200 میلی متر ندارند). با این حال، تفسیر نتایج دشوار است و چندان دقیق نیست. تکنیک تراهرتز به دلیل نفوذ محدود در بتن، که معمولاً با محتوای آب بالا مشخص می شود، به ندرت استفاده می شود که امواج الکترومغناطیسی را به شدت در این فرکانس ها میرایی می کند. فرکانس های بالاتر در رادیوگرافی استفاده می شود که می تواند بسیار موثر باشد اما از طرف دیگر محدودیت های زیادی دارد. منبع و آشکارساز معمولاً باید در دو طرف جسم قرار گیرند. علاوه بر این، این روش خطراتی را برای سلامت انسان ایجاد می کند.
روشهای بازرسی با استفاده از میدان مغناطیسی DC را می‌توان به دو دسته تقسیم کرد: تکنیک‌های مغناطیسی پیوسته (CMT)، که بازرسی مغناطیسی فعال (AMI) نیز نامیده می‌شود و تکنیک‌های مغناطیسی باقیمانده (RMT)، به نام بازرسی مغناطیسی غیرفعال (PMI). در مورد CMT، نه تنها دستگاه های دریافت کننده، بلکه تحریک نیز مورد نیاز است.
نماینده اصلی CMT روش نشت شار مغناطیسی (MFL) است. این روش معمولاً در بازرسی قطعات و اجزای فرومغناطیسی استفاده می شود. با این حال، در حال حاضر، انطباق های این روش برای مهندسی عمران نیز رایج است.
در روش MFL، آشکارساز معمولاً بین قطب های آهن ربا یا آهنربای الکتریکی قرار می گیرد تا میدان نشتی را تشخیص دهد. نفوذپذیری نسبی بتن، سنگ، آب و هوا نزدیک به 1 است. بنابراین عملاً تأثیری بر توزیع میدان مغناطیسی ندارند. میلگردهای تقویت شده (میلگردها) ساخته شده از فولاد به عنوان مواد فرومغناطیسی، شار مغناطیسی را متمرکز می کنند. به این ترتیب میدان مغناطیسی تحت تأثیر میلگردها قرار می گیرد و می توان از آن ها برای بومی سازی آن ها در سازه بتنی استفاده کرد. شار مغناطیسی را می توان با ناپیوستگی در مواد، مانند شکستگی یا ترک، مختل کرد. نشت شار مغناطیسی ناشی از ناهمگنی میلگرد را می توان در فاصله ای در محدوده پوشش بتنی معمولی تشخیص داد.
در برخی موارد می توان از روش MFL برای تعیین تلفات مواد ناشی از خوردگی استفاده کرد. روش های مغناطیسی همچنین امکان شناسایی قطر میلگرد را فراهم می کند. روش نشت شار مغناطیسی همچنین می تواند برای نظارت بر سلامت سازه استفاده شود. سایر روشهای مغناطیسی فعال، مانند گسیل بارخاوزن (MBE)، انتشار مغناطیسی آکوستیک (MAE)، ناهمسانگردی مغناطیسی ناشی از تنش (SMA)، یا روش پودر مغناطیسی، معمولاً برای ارزیابی سازه‌های بتن مسلح استفاده نمی‌شوند. میدان مغناطیسی در مورد روش های مغناطیسی فعال (CMT) بیشتر است. با این حال، روشهای CMT دارای معایبی مانند زمان اندازه‌گیری طولانی‌تر، استقرار تجهیزات و مصرف انرژی هستند.
روش های مغناطیسی باقیمانده مقرون به صرفه تر و ساده تر هستند. RMT اصلی روش حافظه مغناطیسی (MMM) است. این روش می تواند برای تشخیص شرایط غیرعادی ناشی از تغییرات در ساختارهای کریستالی ناشی از تمرکز تنش، خوردگی یا ترک استفاده شود. یکی از بسیاری از نسخه های MMM، iCAMM (روش مغناطیسی ارزیابی خوردگی زیرساخت) است. این روش از طریق بازرسی مغناطیسی غیرفعال تحت تأثیر میدان مغناطیسی زمین عمل می کند.
تاثیر مغناطیس بر ارزیابی سازه های بتنی مسلح با استفاده از روش های مغناطیسی DC
تازگی و اهمیت تحقیق
ارزیابی دوره ای سازه های بتن آرمه توسط قوانین ملی در اکثر کشورها الزامی است. با این حال، در بسیاری از موارد، چنین بازرسی می تواند مشکل ساز باشد. تست‌های استاندارد «در نقطه» می‌توانند گمراه‌کننده باشند (بیشتر ساختار بررسی نشده است). اسکن های نقطه به نقطه نیز نمی توانند در مناطق بزرگ مورد استفاده قرار گیرند زیرا آزمایش هایی از این نوع معمولاً بسیار وقت گیر هستند. راه حل واضح استفاده از آزمون های منطقه است. به این ترتیب زمان بررسی به میزان قابل توجهی کاهش می یابد و نتایج دریافتی قابل اعتماد است. با این حال، در حال حاضر، حتی یک روش وجود ندارد که بتوان از آن در مقیاس بزرگ استفاده کرد. آزمایش‌های منطقه به طور بالقوه می‌توانند به عنوان آزمایشی یا ارزیابی اولیه قبل از اعمال روشهای دقیق‌تر دیگر مورد استفاده قرار گیرند. تنها چند روش وجود دارد که از نظر تئوری می توان برای چنین ارزیابی استفاده کرد. این گروه عمدتاً شامل آزمایش بصری، رادیوگرافی و ترموگرافی است. متأسفانه، این روش‌ها محدودیت‌های زیادی دارند (به عنوان مثال، ترموگرافی تنها در صورتی قابل استفاده است که پوشش بتنی کم باشد؛ رادیوگرافی به تجهیزات تخصصی نیاز دارد، خطراتی برای سلامت انسان ایجاد می‌کند، و عناصر سیستم باید در هر دو طرف قرار گیرند. شی) و اغلب ناکافی هستند. خلاصه کامل روشهای آزمایش منطقه در نشان داده شده است. روش های مغناطیسی همیشه برای آزمایش های منطقه خوب در نظر گرفته نمی شوند. با این حال، این روش دارای مزایای بسیاری نسبت به سایر تست های ذکر شده در قبل است. آزمایش های انجام شده با روش مغناطیسی ارزان هستند، اصل عملیات قابل درک و استفاده آسان است، موج مغناطیسی مورد استفاده می تواند از میرایی ناشی از پوشش بتنی جلوگیری کند. آزمایش نشان داد که روش مغناطیسی برای اثربخشی این روش بسیار مهم است. پتانسیل روش های مغناطیسی فعال و غیرفعال در بخش های بعدی مقاله ارائه شده است.
1.3. طرح کلی مقاله
در مقدمه این مقاله، ابتدا اهمیت آزمایش غیرمخرب (NDT) در آزمایش های دوره ای سازه های بتن مسلح تشریح شده است. مروری کوتاه بر روش های NDT مورد استفاده در بخش ساخت و ساز نیز ارائه شده است. در ادامه، اهمیت پژوهش انجام شده نشان داده شد.
بخش 2 (مواد و روش ها) نمونه های آزمایش شده و سیستم های اندازه گیری را ارائه می دهد. این بخش توجه زیادی به سنسورهای مغناطیسی نوری (MO) دارد. عناصر MO، یکی از معدود آشکارسازهای میدان مغناطیسی، برای آزمایش منطقه طراحی شده اند. ارزیابی اجسام فرومغناطیسی دور از سنسور به اندازه بتن مسلح یک مسئله غیرعادی برای این نوع سنسور است که برای آزمایش سطح در نظر گرفته شده و طراحی شده است. بنابراین قبل از انجام آزمایشات، صحت آن ها در مورد سازه بتن آرمه مشکوک بود. برای بررسی های دقیق تر، سنسورهای AMR متصل در یک ماتریس پیشنهاد شدند. در این بخش به نمونه هایی از نتایج دریافتی و الگوریتم های پردازش داده ها پرداخته می شود.
نتایج اندازه‌گیری‌ها در بخش 3 قرار داده شد. ابتدا کل بخش به طور خلاصه شرح داده می‌شود. در مرحله بعد، نتایج دریافت شده برای سنسور MO ارائه شده است. آزمایش‌ها با حسگر MO هم تأثیر مغناطش را بر افزایش توانایی تشخیص میلگردها و هم پتانسیل کاربرد سنسورهای MO را نشان می‌دهد.
در بخش فرعی دیگر، نتایج دریافت شده برای سه نمونه مختلف و سه نوع مغناطیسی مختلف ارائه شده است. تمام آزمایش ها با سنسور AMR انجام شد. نکته اصلی بخش فرعی نشان دادن تاثیر روش مغناطیسی بر نتایج دریافتی است. تاثیر برای نمونه های پیچیده تر حتی قوی تر است. این بخش همچنین معایب روش غیرفعال را نشان می دهد که در طول آزمایش بر روی نمونه های پیچیده تر نیز قابل توجه تر می شود.
نتایج به‌دست‌آمده در بخش 4 خلاصه می‌شود، به ویژه، جنبه مغناطیسی در این بخش مورد بحث قرار می‌گیرد. در بخش «نتیجه‌گیری» بحث شد که آیا روش مغناطیسی در نهایت برای آزمایش منطقه مناسب است و چگونه آزمایش‌هایی از این نوع بر پس‌زمینه روشهای دیگر قرار می‌گیرند. دو سنسور تست شده نیز در این قسمت مقایسه شده اند. مزایا و معایب هر دو سیستم ارائه شده است و کاربردهای سنسورها پیشنهاد شده است. در بخش همچنین طرح هایی برای تحقیقات بیشتر در مورد روش مغناطیسی برای آزمایش منطقه ارائه شده است.
نتیجه گیری
نتایج آزمایش در دو بخش فرعی مورد بحث قرار گرفته است. بخش اول اندازه گیری های توزیع میدان مغناطیسی را با استفاده از حسگر MO و کاربرد آن ها برای تشخیص میلگردها ارائه می کند. آزمایش ها را می توان به عنوان مطالعات اولیه فرض کرد. اندازه گیری ها با سنسور MO به سرعت انجام می شوند و تفسیر آن ها آسان است. با این حال، حساسیت سنسورهای MO کمتر از سنسور AMR است و امکان اندازه گیری اجزای القایی x، y و z وجود ندارد. در این حالت فقط نمونه S1 با میلگرد تک تست می شود (همه نمونه ها با سنسور AMR همانطور که در زیر بخش زیر نشان داده شده است مورد آزمایش قرار گرفتند). آزمایش‌ها با حسگر MO هم تأثیر مغناطش را بر افزایش توانایی تشخیص میلگردها و هم پتانسیل کاربرد سنسورهای MO را نشان می‌دهد. در این آزمایش از همان مغناطش قطبی (SPM) استفاده شده است.
در زیر بخش زیر، نتایج دریافت شده برای سه نمونه مختلف و سه نوع مغناطیسی مختلف ارائه شده است. تمام آزمایش ها با آهنرباهای یکسان (با جهت گیری های متفاوت در برابر میلگردها) انجام شد. بنابراین، اثر مغناطیسی برای نمونه‌هایی با ضخامت پوشش بتن بزرگتر ضعیف‌تر است. علاوه بر این، همیشه از همان سنسور AMR استفاده می شد. نکته اصلی آزمایش‌ها نشان دادن تأثیر روش مغناطیسی بر نتایج دریافتی است. آزمایش‌ها ثابت می‌کنند که تأثیر برای نمونه‌های پیچیده‌تر حتی مهم‌تر است. آزمایش‌های انجام‌شده بر روی نمونه‌های شبیه‌سازی مش تقویت‌شده (نمونه‌های S2 و S3) نشان داد که CMT (تکنیک‌های مغناطیسی پیوسته) بسیار مؤثرتر از RMT (تکنیک‌های مغناطیسی باقیمانده) است. علاوه بر این، SPM (مغناطیس کردن قطب یکسان) امکان شناسایی میلگردها را به طور مستقیم تر از OPM (مغناطیس قطب مخالف) می دهد.
آزمایش با MO-Transducer
آزمایش‌هایی با استفاده از سنسور MO برای نمونه S1 (با میلگرد منفرد) برای نشان دادن تفاوت بین CMT و RMT انجام شد. میلگردها هر بار تا یک سطح و در یک جهت مغناطیسی می شوند. SPM به عنوان یک روش مغناطیسی انتخاب شد. به عنوان مرجع، همین آزمایش با میلگرد غیر مغناطیسی نیز انجام شد. آزمایش ها با گام 5 میلی متر در امتداد محور z (تغییر ضخامت پوشش بتن h) و 20.5 میلی متر در امتداد محور x (اندازه سنسور 15.5 × 20.5) انجام شد. به این ترتیب اندازه گیری های پیوسته بدون هیچ شکافی به دست آمد. ضخامت پوشش بتنی h در محدوده 0.5 تا 100 میلی متر تغییر یافت.
به طور قابل پیش بینی، آزمایش ها نشان داده اند که میلگرد مغناطیسی را می توان با پوشش بتنی بسیار بزرگتر از غیر مغناطیسی تشخیص داد. هنگامی که میلگرد غیر مغناطیسی شناسایی با ضخامت پوشش بالاتر از h = 20 میلی متر چالش برانگیز است، میلگرد مغناطیسی شده را می توان از فاصله بیش از 100 میلی متر تشخیص داد. با این حال، خوانایی نمودارها برای ضخامت پوشش بزرگ محدود است.
