Г.А. Бигус, д-р техн. Наук,
М.А. Сабреков, магистрант МГТУ им Н.Э. Баумана.
Рассмотрено применение метода акустической эмиссии при контроле металлоконструкций, сравнение результатов испытаний с результатами предварительного расчета в программе ANSYS.
The application of acoustic emission method in the control of metal, the comparison of test results with the results of the preliminary calculation of the program ANSYS.
Ключевые слова: прочность металлоконструкций, акустическая эмиссия, диагностика, дефекты, реальные испытания.
Key words: the strength of metal, acoustic emission, diagnosis, defects, the real test.
Введение.
Решетчатые металлоконструкции за последние 20-30 лет получили большое применение при массовом строительстве общественных, культурных и спортивных сооружений как в РФ, так и в других странах. Технологичность их изготовления, пространственная прочность, быстрота сооружения в качестве перекрытий большинства современных общественно-культурных зданий, таких как: гипермаркеты, стадионы и катки, спортивные сооружения и т. п. - имеют ряд неоспоримых преимуществ. Однако функциональная принадлежность зданий с легко возводимыми металлоперекрытиями выдвигает высокие требования к длительной безопасной их эксплуатации. Эти конструкции подвержены внешнему воздействию: влаге, ветровым и снеговым нагрузкам и т.п., могут возникнуть также внутренние дефекты в первую очередь в сварных соединениях. Именно поэтому, согласно нормативно технической документации, диагностика таких конструкций происходит раз в 4-5 лет. Но предупредить аварии и обрушения зданий при периодическом контроле в полном объеме не удается. Статистика за 2001-2010 год по общественным объектам гласит о более чем 1500 разрушенных зданий [3](табл. 1).
В настоящее время, по-видимому, необходимо постоянное слежение за металлоконструкцией для оценки ее состояния в режиме реального времени (мониторинг).
Из возможных методов неразрушающего контроля в качестве метода, лежащего в основе непрерывного мониторинга металлоперекрытий, может быть рекомендован метод акустической эмиссии(АЭ). Технические возможности современных аппаратно-программных средств АЭ могут позволить используя относительно небольшое количество датчиков АЭ непрерывно «прослушивать» всю металлоконструкцию, чтобы в случае появления опасных, развивающихся дефектов, немедленно подать сигнал о выводе людей из строительного сооружения и детальном обследовании лоцированного места перекрытия специалистами.
Для отработки методологии АЭ диагностики такой металлоконструкции была изготовлена физическая модель, которая в последующем нагружалась сосредоточенной силой (грузом).
Можно выделить основные причины аварийного состояния решетчатых конструкций:
1. перегрузка металлических конструкций.
2. потеря устойчивости металлических конструкций или их элементов.
3. недоучет знакопеременных усилий в стержневых системах металлических арок, ферм или рам.
4. аварии в результате усталости металла, возникающей вследствие часто повторяющихся циклических нагрузок и вибраций, воздействующих на металлические конструкции.
Задачей акустико-эмиссионного диагностирования является отслеживание таких участков.
Метод испытания.
Для изготовления металлоконструкции использовались профили из Ст3: труба квадратного сечения 40х3 для верхнего и нижнего поясов и труба прямоугольного сечения 40х20х3 для раскосов, изготовленные по ГОСТ. Использовалась РДС штучными электродами МР-3С на переменном токе. Из профилей был вырезан образец согласно ГОСТ 1497-84. Механические свойства металла образца представлены в табл. 2.
Для стимуляции акустической эмиссии было использована система нагружения (рис 1, 2). Гидроцилиндр марки ДУ15П250(производства ЭНЕРПРЕД) передавал усилие на датчик измерения силы марки EVER 1GHT ES-1, а датчик в свою очередь передавал усилие на траверсу. Максимальное усилие гидроцилиндра - 15 тонн. Для регистрации и преобразования АЭ-сигналов в электрические применяли полосовые интегрированные датчики АЭ DP6I с усилением 40 дБ. В экспериментах использовалось 4 датчика. Места расположения датчиков Д1-Д4 показаны на рис.1. Расстояние между датчиками Д1-Д2 и Д3-Д4 обеспечивали затухание сигнала АЭ от источника Су-Нельсона не более чем 10 дБ. На рис. 3 приведена АЧХ датчика. Для приема данных использовалась АЭ-система Samos производства Physical Acoustics Corporation (Mistras Holdings Company, USA). Основные характеристики системы Samos представлены в табл. 3. Для обработки данных программа WinPOST. Все полученные данные записывались в файл на жесткий диск.
Для исключения регистрации посторонних шумов порог дискриминации аппаратуры устанавливали на уровне 40 дБ.
Перед основным нагружением производилось предварительное нагружение в качестве опрессовки конструкции (см гр. I рис. 4). Основное нагружение производилось согласно графику II, представленному на рис. 4.
Расчетная модель фермы рассчитана в универсальной программной системе конечно-элементного анализа ANSYS v.14.0 с целью нахождения наиболее напряженных участков конструкции. Результаты с наиболее напряженными элементами металлоконструкции показаны на рисунке 5.
Расчет модели показал, что при 10 тоннах произойдет разрушение фермы.
Все зарегистрированные сигналы АЭ с использованием фильтрации разбивались на группы в зависимости от силы нагружения. Данный способ дает количественную оценку сигналов в зависимости от степени нагружения.
Акустическая эмиссия при испытаниях
На рис. 6 приведен график зависимости суммарного числа АЭ – NСумм от времени нагружения. Из анализа рис. 6 видно, что наблюдается увеличение скорости счета АЭ при нагрузках свыше 7 тонн. На выдержках при от 1 до 6 тонн существенной АЭ не наблюдается, на выдержках при давлении 7, 10 и 11 тонн отмечено заметное приращение суммарной АЭ.
Во время испытаний аппаратурой фиксировалось несколько тысяч сигналов АЭ (рис 6, 44262 сигнала).
Для удобства восприятия информации все нагружения классифицированы от силы нагружения. На рисунке 7 показаны этапы нагружения в 2, 4, 6, 8, 10, 11 и 11,3 тонны. В первой колонке показано амплитудное распределение сигналов от 55 дБ (амплитудный пород развития дефектов). Во второй колонке показано энергетическое распределение сигналов с амплитудой больше 70 дБ в зависимости от частоты. Для оценки опасности сигналов были установлены уровни энергии. Сигналы с энергией меньшей 750 отн.ед. классифицировались как средне-энергетическими. Сигналы более 750, но менее 1000 отн.ед. как высокоэнергетическими. Сигналы более 1000 отн.ед. – критические.
На графиках локаций (рис. 8) показаны накопления сигналов на участках, показанных на рисунке 1, зона 1 и2. Колонка а показывает зону 1 в верхнем поясе, а колонка b – зона 2 в нижнем поясе.
При нагрузке в 2 тонны амплитудный порог развития дефектов в 55 дБ преодолевает лишь 213 сигналов (I а рис. 7). Максимальная зафиксированная амплитуда в 70 дБ наблюдается только у 3-х сигналов. На графике распределения энергии сигналов от частоты (I b рис. 7) видно, что сигналы находятся в низкоэнергетической зоне и не представляют угрозы для металлоконструкции. Также это подтверждается графиком суммарного счета от времени (рис. 6).
На II (рис. 7) можно увидеть увеличение общего количества сигналов с амплитудой, превышающей порог дискриминации. Количество сигналов увеличилось более чем в два раза по сравнению с нагрузкой в 2 тонны и составило 4096 (II с рис. 7), а количество сигналов, превышающих амплитуду 70 дБ, достигло 25. Так же на графике локации (I a рис. 8) по верхнему поясу видно точки скопления сигналов, достигающих 7. И хотя сигналы находятся (II b рис. 7) низкоэнергетической области, можно утверждать о развитии дефектов при нагрузке в 4 тонны.
Нагрузка в 6 тонн (III рис. 7) показывает, что сигналы приближаются к высокоэнергетическим уровням. Растет количество сигналов с амплитудой более 70 дБ(33 сигнала) и на графике локаций прорисовывается место будущего разрушения II a рис. 8.
На графике суммарного счета от времени показана нагрузка 7 тонн, при которой резко увеличивается скорость счета. Это подтверждается, в том числе, нагрузкой 8 тонн IV a рис. 6. Появляется 54 сигнала с высокой амплитудой(>70 дБ). При выдержке АЭ по-прежнему растет. График локации по верхнему поясу (III a рис. 8) показывает большое скопление сигналов, до 30 штук на одной точке. Ширина скопления участка достигает 5 см, скорость счета повышается и большое количество сигналов в области 55-65 дБ говорит о появлении пластических деформаций на участке. Энергетическое распределение показывает, что 7 сигналов превышает высокоэнергетический уровень (Е=700 отн.ед.), что говорит о наступлении опасного момента в испытаниях. Изменения, прошедшие в металле, при такой нагрузке являются необратимыми. Характер АЭ при нагрузке в 8 тонн говорит о скором разрушении металлоконструкции.
Стоит отметить и о локации по нижнему поясу. При нагрузке в 8 тонн III b рис. 8 появляется скопление в зоне 2(рис. 1). Напряжения на этом участке увеличиваются, и начинается развитие дефектов.
Начавшаяся пластическая деформация при нагрузке в 8 тонн начинает ослаблять верхний пояс фермы. На V a и b рис. 5 количество высокоамплитудных сигналов по сравнению с IV a и b понижается, так как сечение уже «ослабло» и произошло разупрочнение элемента. Но в то же время появляется сигнал, превышающий критическую энергию E=1000 отн.ед. Это подтверждается снижением количества сигналов на графике локации по верхнему поясу IV a рис. 8. В нижнем поясе наоборот, локационная картина показывает бурное развитие дефектов. Стоит отметить увеличение скорости счета рис. 6: скорость счета достигает максимального значения за все время испытаний.
Нагрузка, предшествующая разрушению в 11 тонн (VI рис. 7) накапливает большое количество высокоамплитудных сигналов (N>70дБ=63). При этом уровень напряжений в наиболее нагруженном сечении подходит к пределу прочности Сигма в. Наблюдается всего один сигнал в диапазоне энергий 750<E<1000 и два сигнала в критической области E>1000 отн.ед. Локация фиксирует скопление сигналов в узкой зоне и в некоторых точках их количество превышает 30 шт.
На последнем этапе нагружения, когда происходит разрушение главной фермы металлоконструкции, количество высокоамплитудных сигналов максимально N>70дБ=67. Появляется 3 высокоэнергетических сигнала и происходит смятие верхнего пояса в месте нагружения приложения нагрузки рис. 9.
Выводы.
1. АЭ может быть рекомендована в качестве мониторингового метода для слежения за металлоперекрытиями зданий и сооружений.
2. Применение метода АЭ для решетчатых изделий позволяет судит о состоянии металлоконструкции при задании некоторых критериев оценки сигналов, полученных опытным путем для конкретной марки стали и сечении элементов.
3. Опытным путем показано, что АЭ метод за 30-40% до разрушения показывает место будущего разрушения, появляются сигналы, говорящие о критических напряжениях в наиболее опасных участках металлоконструкции.
4. В данном испытании основными критериями оценки являлись количество высокоамплитудных сигналов N>70дБ , скорость счета N’, энергия в отн.ед. E и появление сигналов на графике локации.
5. Следует отметить, что результаты предварительно расчета в программе ANSYS v.14 совпадают с механическими испытаниями рис. 5 и рис. 9.
Список литературы.
1. Бигус Г.А., Даниев Ю.Ф. Техническая диагностика опасных производственных объектов. - М. : Наука, 2010. – 415 с.
2. Бунина Н.А. Исследование пластической деформации металлов методом акустической эмиссии. – Л. : Изд-во ЛГУ, 1990. – 155 с.
3. Еремин К.И. Реестр аварий зданий и сооружений 2001-2010 годов. – М. : 2011. – 320 с.
4. Кузьмин А.Н., Филиппов С.Ю. Акустико-эмиссионная дефектоскопия грузоподъемных механизмов // В мире неразруш. контроля. — 2008 .— № 2 .— с. 46-48 .