Wyszukiwarka
Kompleksowe badania rozwoju mikro- i makro-pęknięć w elementach betonowych z wykorzystaniem fal sprężystych: doświadczenia i modelowanie metodą elementów dyskretnych
Słowa kluczowe
beton, detekcja uszkodzeń, mikro-pęknięcia, makro-pęknięcia, metoda elementów dyskretnych, mezostruktura betonu, mikro-tomografia komputerowa, propagacja fal sprężystych
Opis projektu
Beton należy do materiałów najczęściej stosowanych do budowy obiektów inżynierii lądowej. Podstawowym problemem w eksploatacji konstrukcji wykonanych z betonu jest ich skłonność do rysowania się i pękania. Degradacja właściwości mechanicznych betonu zachodzi pod wpływem obciążeń środowiskowych i eksploatacyjnych. Zanim jednak pojawi się makropęknięcie, w elemencie betonowym rozwijają się mikrorysy. Wykrywanie uszkodzeń betonu w skali mikro na wczesnym etapie degradacji nie jest zadaniem trywialnym i ma duże znaczenie w inżynierii lądowej.
Badania, które zostaną podjęte w ramach projektu, zmierzają do poprawy bezpieczeństwa konstrukcji betonowych. Do tego celu zostanie użyta metoda bazująca na zjawisku propagacji fal sprężystych. Charakterystyki propagujących fal w elemencie betonowym poddanym degradacji mechanicznej ulegają znaczącej zmianie, dzięki czemu możliwe jest wykrycie rozwijających się uszkodzeń. W szerszej perspektywie wyniki projektu będą miały znaczący wpływ na rozwój technik monitorowania konstrukcji betonowych. Wiarygodna ocena stopnia degradacji betonowych elementów konstrukcyjnych pozwoli na racjonalizację kosztów ich utrzymania, a także przedłużenie żywotności konstrukcji.
Celem projektu jest wyjaśnienie mechanizmu propagacji i rozpraszania fal sprężystych na poziomie kruszywa oraz ich interakcji z mikro- i makropęknięciami w elementach betonowych poddanych monotonicznemu obciążeniu quasi-statycznemu. Badania składają się z dwóch uzupełniających się części: eksperymentalnej i numerycznej. W części doświadczalnej zostanie przeprowadzony kompleksowy program monitorowania rozwoju mikro- i makropęknięć w próbkach betonowych za pomocą fal sprężystych. Zostaną zastosowane dwa podejścia wykorzystujące fale sprężyste, tj. technika propagacji fal ultradźwiękowych, w której fala sprężysta jest generowana za pomocą przetwornika piezoelektrycznego przymocowanego do badanego elementu oraz technika emisji akustycznej, w której fala sprężysta jest generowana przez pękanie betonu. Dodatkowo, do obrazowania trójwymiarowej mezostruktury betonu i rozwoju pęknięć, zostanie wykorzystana mikrotomografia komputerowa.
Z uwagi na fakt, że beton ma szczególną strukturę, która jest nieciągła i niejednorodna, mechanizm propagacji fal sprężystych w elementach betonowych zostanie opisany za pomocą zaawansowanego modelu matematycznego, bazującego na rozszerzonej metodzie elementów dyskretnych. W części obliczeniowej projektu zostanie zastosowany 4-fazowy model betonu złożony z kruszywa, matrycy cementowej, makroporów i międzyfazowych stref przejściowych wokół ziaren kruszywa. Obliczenia propagacji fal sprężystych w elementach betonowych zostaną przeprowadzone z uwzględnieniem ich rzeczywistej mezostruktury otrzymanej za pomocą mikro-tomografii komputerowej.
Sprzężone badania doświadczalno-numeryczne pozwolą uzyskać nowy wgląd w propagację fal sprężystych w materiałach niejednorodnych. Zbadany zostanie wpływ mezostruktury betonu na rozpraszanie fal sprężystych. Zdefiniowane zostaną związki między mikro- i makro-pęknięciami a charakterystykami propagujących fal akustycznych i ultradźwiękowych na poziomie kruszywa. Opracowane zostaną nowe algorytmy do wykrywania stref mikro-defektów przed powstaniem widocznych uszkodzeń.
Informacje szczegółowe
- Program finansujący:
- OPUS
- Instytucja:
- Narodowe Centrum Nauki (NCN) (National Science Centre)
- Porozumienie:
- UMO-2019/35/B/ST8/01905 z dnia 2020-09-01
- Okres realizacji:
- 2020-09-01 - 2023-08-31
- Kierownik projektu:
- prof. dr hab. inż. Magdalena Rucka
- Członkowie zespołu:
-
- stypendysta Magdalena Knak
- stypendysta dr inż. Erwin Wojtczak
- wykonawca dr hab. inż. Łukasz Skarżyński
- wykonawca dr hab. inż. Michał Nitka
- wykonawca prof. dr hab. inż. Jacek Tejchman
- wykonawca dr inż. Monika Zielińska
- stypendysta Shahzad Ashraf
- Realizowany w:
- Katedra Wytrzymałości Materiałów
- Wartość projektu:
- 1 194 000.00 PLN
- Typ zgłoszenia:
- Krajowy Program Badawczy
- Pochodzenie:
- Projekt krajowy
- Weryfikacja:
- Brak weryfikacji
Publikacje powiązane z tym projektem
Filtry
wszystkich: 10
Katalog Projektów
Rok 2024
-
Comparative study on fracture evolution in steel fibre and bar reinforced concrete beams using acoustic emission and digital image correlation techniques
PublikacjaIn recent decades, the demand for sustainable construction practices has increased, but raw materials such as reinforcing steel remain scarce. Therefore, steel fibres have emerged as a popular and sustainable choice in the construction industry, offering a cost-effective alternative to traditional steel bar reinforcement for both flatwork and elevated structures. The purpose of this study is therefore to compare the performance...
-
Crack monitoring in concrete beams under bending using ultrasonic waves and coda wave interferometry: the effect of excitation frequency on coda
PublikacjaConcrete is one of the most widely used construction materials in the world. In recent years, various non-destructive testing (NDT) and structural health monitoring (SHM) techniques have been investigated to improve the safety and control of the current condition of concrete structures. This study focuses on micro-crack monitoring in concrete beams. The experimental analysis was carried out on concrete elements subjected to three-point...
-
Discrete element method modelling of elastic wave propagation in a meso-scale model of concrete
PublikacjaThis paper deals with the accurate modelling of ultrasonic wave propagation in concrete at the mesoscopic level. This was achieved through the development of a discrete element method (DEM) model capable of simulating elastic wave signals comparable to those measured experimentally. The main objective of the work was to propose a novel methodology for constructing a meso-scale model of concrete dedicated to the analysis of elastic...
Rok 2023
-
A study on microcrack monitoring in concrete: discrete element method simulations of acoustic emission for non-destructive diagnostics
PublikacjaThe research is focused on the monitoring of fracture evolution in concrete beams under three-point bending using the acoustic emission technique and the discrete element method. The main objective of the study was to numerically and experimentally investigate the mechanism behind the generation of elastic waves during acoustic emission events and their interaction with micro- and macro-cracking in concrete beams under monotonic...
-
Coda wave interferometry in monitoring the fracture process of concrete beams under bending test
PublikacjaEarly detection of damage is necessary for the safe and reliable use of civil engineering structures made of concrete. Recently, the identification of micro-cracks in concrete has become an area of growing interest, especially using wave-based techniques. In this paper, a non-destructive testing approach for the characterization of the fracture process was presented. Experimental tests were made on concrete beams subjected to mechanical...
-
Microcrack monitoring and fracture evolution of polyolefin and steel fibre concrete beams using integrated acoustic emission and digital image correlation techniques
PublikacjaThe use of polymer and steel fibres in plain concrete appears to be an excellent solution for limiting crack propagation and improving the post-ductility performance of concrete structures. Based on this premise, this study investigated the fracture evolution of polyolefin fibre-reinforced concrete (PFRC) and steel fibre-reinforced concrete (SFRC) specimens through the integrated application of two diagnostic techniques, acoustic...
Rok 2022
-
Internal imaging of concrete fracture based on elastic waves and ultrasound computed tomography
PublikacjaThe condition assessment of concrete structures belongs to the greatest challenges of non-destructive testing. Monitoring the fracture process of concrete and detecting cracks at the earliest possible stage is a vital aspect to ensure the safety of civil engineering objects. The use of ultrasound tomography enables imaging the internal structure of a tested element. This study aims at the visualization of fracture damage in concrete...
-
Monitoring the fracture process of concrete during splitting using integrated ultrasonic coda wave interferometry, digital image correlation and X-ray micro-computed tomography
PublikacjaThe paper deals with the continuous-time monitoring of mechanical degradation in concrete cubes under splitting. A series of experiments performed with integrated coda wave interferometry (CWI) and digital image correlation (DIC), supported with X-ray micro-computed tomography (micro-CT) is reported. DIC and micro-CT techniques were used to characterize the fracture process in detail. CWI method was proved to be effective in the...
-
The effect of external load on ultrasonic wave attenuation in steel bars under bending stresses
PublikacjaThe stress state in deformed solids has a significant impact on the attenuation of an ultrasonic wave propagating through the medium. Measuring a signal with certain attenuation characteristics can therefore provide useful diagnostic information about the stress state in the structure. In this work, basic principles behind a novel attenuation-based diagnostic framework are introduced. An experimental study on steel bars under three-point...
Rok 2021
-
Characterization of fracture process in polyolefin fibre-reinforced concrete using ultrasonic waves and digital image correlation
PublikacjaThis study explores the monitoring of the fracture process in concrete beams and aims to characterize the evolution of damage in polyolefin fibre-reinforced concrete beams by utilizing the integrated application of two measurement techniques, digital image correlation and ultrasonic testing. The interpretation of registered wave time histories data was provided by the calculation of the magnitude-phase-composite metrics. An efficient...
wyświetlono 2635 razy