Strona: PRELUDIUM-18 / Katedra Mechaniki Konstrukcji

Temat projektu: Analiza zjawiska propagacji fal sprężystych w ośrodku o złożonej geometrii

Projekt 2019/35/N/ST8/01086 uzyskał finansowanie w ramach konkursu „PRELUDIUM-18" organizowanego przez Narodowe Centrum Nauki

Okres realizacji projektu: czerwiec 2020 – czerwiec 2023 (36 miesięcy) okres realizacji projektu został wydłużony do czerwca 2024 (48 miesięcy)

Budżet projektu: 210 000 zł

Zazwyczaj, mówiąc o falach mamy na myśli te, rozchodzące się na powierzchni wody. W przyrodzie występuje jednak wiele rodzajów fal. Znane są fale dźwiękowe, świetlne, elektromagnetyczne… Jedne możemy usłyszeć, inne zobaczyć, a jeszcze inne po prostu poczuć. Niektóre fale, by się rozprzestrzeniać, potrzebują specjalnych warunków; inne nie. Wśród całej gamy fal można wyszczególnić fale sprężyste, które są przedmiotem badań w tym projekcie.

Fale sprężyste rozchodzą się (propagują) w ośrodku sprężystym. Przykłady ośrodków sprężystych możemy znaleźć w naszym najbliższym otoczeniu. Jednym z nich mogą być wykorzystywane w budownictwie konstrukcje stalowe. Po wychyleniu fragmentu ośrodka z położenia równowagi, otaczające go cząsteczki zaczną drgać. Dzięki sprężystym właściwościom drgania będą przekazywane do dalszych jego fragmentów, zarówno po powierzchni, jak i w głąb materiału. Napotykając na różnego rodzaju przeszkody, defekty materiału czy krawędzie ośrodka fale odbijają się, zmieniając swój kierunek. Odbite fale nakładają się na siebie, a po pewnym czasie zanikają (na skutek tłumienia). Wówczas konstrukcja pozostaje w pierwotnym położeniu.

Obserwacja i analiza sposobu rozchodzenia się fali sprężystej może być źródłem informacji na temat stanu układu, w którym propaguje. Jest to jedna z nieniszczących technik pomiarowych wykorzystywana w monitorowaniu stanu różnego rodzaju konstrukcji (do wykrywania uszkodzeń w obiektach budowlanych, w badaniach poszycia samolotów, itd.). Jako technika nieniszcząca nie ingeruje w badaną konstrukcję. Niestety precyzyjny opis matematyczny fali sprężystej jest skomplikowany i obecnie ogranicza się właściwie do prostych przypadków płyty (elementu o dwóch wymiarach znacznie większych od trzeciego) lub pasma (elementu o jednym znaczącym wymiarze). Teoretyczne rozważania w zakresie uwzględnienie warunków podparcia badanego elementu są również ograniczone. Celem projektu jest obserwacja i lepsze zrozumienie natury zjawiska propagacji fali sprężystej w układzie o złożonej geometrii.

W celu realizacji projektu zakupiono 20 próbek będących wyizolowanymi węzłami ram, stosowanymi w typowych rozwiązaniach rzeczywistych konstrukcji inżynierskich. Próbki składają się z odcinków belek IPE 300 oraz fragmentów słupów z kształtowników HEB 160, które połączono ze sobą przy pomocy spoin. Ukształtowanie próbek daje szerokie możliwości badawcze. Pozwala między innymi na obserwację propagacji fali na odcinkach materiału o zmiennej grubości, krzywiźnie i zróżnicowanych warunkach podparcia.

W ramach projektu zakupiono również zestaw dwóch kamer wysokiej rozdzielczości wraz z obiektywami (wartość zestawu to prawie 63 000 zł), który stanowi uzupełnienie posiadanego przez Katedrę Mechaniki Konstrukcji zestawu Q400 Dantec Dynamics GmbH umożliwiającego pomiary metodą cyfrowej korelacji obrazu.

Dotychczasowe badania miały na celu określenie wpływu sposobu zamocowania wzbudnika na propagację fali sprężystej i dobór parametrów generowanego sygnału tak, aby wzbudzić falę o możliwie największej amplitudzie. Przeprowadzono pomiary fali propagującej wzdłuż środnika belki, a także w bezpośrednim otoczeniu wzbudnika.

Jako przykład wizualizacji (obrazu) propagacji fali w elemencie nieuszkodzonym na Rys. 1 zamieszczono zarejestrowane mapy przemieszczeń punktów w których wykonywany był pomiar, dla trzech wybranych chwil czasu. Fala wzbudzona przy pomocy aktuatora PZT przyklejonego w osi środnika rozchodzi się w przybliżeniu w sposób równomierny w każdą ze stron, tworząc czoło fali i powierzchnie falowe przypominające okręgi (Rys. 1 a). Kiedy fala napotka krawędzie (po lewej i prawej stronie środnika) odbija się od nich tworząc strefę, w której grzbiety fal układają się w równoległe linie (Rys. 1 b). Fragment fali, który nie napotkał na swojej drodze krawędzi porusza się nadal utrzymując okrężny kształt czoła fali. Od pewnego momentu wzdłuż środnika belki przemieszczają się fale tworzące kształt przypominający „rybi ogon” (w górnej części Rys. 1 b). Wychodząc poza obszar obserwacji fala propaguje dalej aż do swobodnej krawędzi, od której się odbija. Czoło odbitej fali mona zaobserwować po upływie czasu wynikającego z geometrii próbki i prędkości wzbudzanej fali (Rys. 1 c). Interesujący jest fakt, że fala docierająca do dolnej krawędzi (spoina pomiędzy środnikiem IPE300 a półką HEB160) nie odbija się w ten sam sposób, jak od krawędzi swobodnej – odbicia są niezauważalne w tym przypadku.

W celu realizacji dwóch założonych etapów przygotowano dwa stanowiska pomiarowe. Etap 1 zakładał wykorzystanie czujników PZT i wibrometru laserowego. Przykładową próbkę zamontowaną na tym stanowisku pomiarowym pokazano na Rys. 2. Etap 2 wymagał dodatkowego obciążenia próbki, co miało symulować rzeczywistą pracę konstrukcji budowlanych, a w wyniku zwiększania obciążenia doprowadzić do uplastycznienia fragmentów próbki. Stanowisko pomiarowe do tego etapu (Rys. 3) zbudowano w hali Wydziałowego Laboratorium Badań Konstrukcji na Wydziale Budownictwa, Inżynierii Środowiska i Architektury Politechniki Rzeszowskiej.

Rys. 2: a) Stanowisko pomiarowe do realizacji Etap 1, b) próbka zamontowana na stanowisku

Rys. 3: Stanowisko pomiarowe do realizacji badań w ramach Etap 2

W projekcie analizowano różne zmiany geometrii próbki (różnego rodzaju otwory - ubytki materiału na całej grubości elementu, oraz częściowe ubytki materiału, mające symulować korozję). Rezultaty w postaci map punktów, których amplituda jest większa niż 1,5 odchylenia standardowego liczonego dla sygnału zarejestrowanego przed wymuszeniem, w wybranej chwili czasu pokazano na Rys. 4 i Rys. 5 (podane na rysunkach wymiary dotyczą wewnętrznego układu współrzędnych przyjętego przez urządzenie, dyskusja przyjęcia układu została szczegółowo przedstawiona w publikacji Ziaja, D.; Jurek, M. An Influence of Actuator Gluing on Elastic Wave Excited in the Structure. Materials 2024, 17, 2160. https://doi.org/10.3390/ma17092160.

Zauważyć można zmiany charakteru propagacji fali w postaci zaburzeń w okolicy uszkodzeń np. porównując Rys. 4 a (najmniejsze uszkodzenie) i Rys. 4 c (próbka z trzema uszkodzeniami równocześnie) widoczne jest znaczące zmniejszenie liczby punktów o amplitudzie uznanej za istotną (w obszarze -0,3 <y< -0,1). W przypadku częściowego ubytku materiału widoczna jest zmiana kształtu czoła fali – kołowo rozchodzące się fale (Rys. 5 a) zmieniają się w fale o czołach równoległych (Rys. 5 d). Znacznie więcej informacji o zmianie charakteru fali można zauważyć rozważając sekwencję map zarejestrowanych dla różnych kroków czasowych.

Rys. 4: Fala sprężysta zarejestrowana w chwili t=000323 s, a) przypadek U100, b) przypadek U400, c) przypadek U433

Rys. 5: Fala sprężysta zarejestrowana na próbce P12 w chwili t = 0.00023398 s dla przypadku a) bez uszkodzenia UK00, b) UK01, c) UK02, d) UK03.

W ramach przygotowań do badań oraz realizacji projektu powstały następujące publikacje:

Ziaja, D.; Jurek, M. & Wiater, A. Elastic Wave Application for Damage Detection in Concrete Slab with GFRP Reinforcement Materials, MDPI AG, 2022, 15, 8523, https://www.mdpi.com/1996-1944/15/23/8523

Ziaja, D.  & Jurek, M. An Influence of Actuator Gluing on Elastic Wave Excited inthe Structure, Materials 2024, 17(9), 2160; https://doi.org/10.3390/ma17092160

O projekcie w TVP

https://rzeszow.tvp.pl/75993558/grant-na-badania-dla-naukowcow-politechniki-rzeszowskiej