Nowe rozwiązania w diagnostyce konstrukcji

Jak w sposób nieinwazyjny, szybki i tani diagnozować konstrukcje inżynierskie, które polegają degradacji na skutek warunków zewnętrznych lub awarii i zdarzeń losowych? Dr inż. Beata Zima z Wydziału Inżynierii Lądowej i Środowiska Politechniki Gdańskiej opracowała algorytmy, które pozwalają na skuteczną identyfikację uszkodzeń w obiektach wykonanych z różnych materiałów. Metody te mogą być wykorzystywane nie tylko w budownictwie, ale np. do diagnostyki elementów maszyn, statków, połączeń kolejowych, spoin i w biomechanice.

Opracowany przez dr. inż. Beatę Zimę z Katedry Mechaniki Budowli WILiŚ szereg algorytmów do wykrywania, lokalizowania oraz szacowania rozmiaru uszkodzenia w elementach konstrukcji inżynierskich, umożliwia skuteczne wykrycie szczególnie niebezpiecznych uszkodzeń podpowierzchniowych (mogących prowadzić do powstawania uszkodzeń wtórnych, np. ognisk korozji) bez ingerencji w strukturę konstrukcji i konieczności przeprowadzenia pomiarów referencyjnych, a więc w krótszym czasie i niższym kosztem niż za pomocą dostępnych obecnie metod. Co więcej, można je stosować zarówno w systemach stałego monitoringu, jak i podczas doraźnych kontroli.

–  Zaproponowałam nową, autorską metodę bazującą na propagacji fal służącą dokładnemu określeniu całkowitego pola powierzchni nieuszkodzonego połączenia adhezyjnego. Opiera się ona na odpowiedniej interpretacji anomalii w rozchodzeniu się fali spowodowanej interakcją z uszkodzeniem – mówi dr inż. Beata Zima. – Aby ocenić stan danego elementu konstrukcji wystarczy zamocować czujnik, zmierzyć sygnał i zinterpretować go. Rozwiązanie, choć zostało wypracowane na konstrukcjach żelbetowych, można zastosować zwłaszcza wszędzie tam, gdzie nie chcemy czegoś zniszczyć podczas badania, np. w obiektach zabytkowych.

Jak podkreśla naukowczyni, metoda propagacji fal pozwala na wykrywanie uszkodzeń na relatywnie dużym obszarze.

– Istnieją inne metody ultradźwiękowe, ale pozwalają zwykle na wykrycie uszkodzeń tylko w danym punkcie, więc aby zbadać stosunkowo sporą powierzchnię trzeba zastosować wiele czujników. Metoda, którą proponuję polega na wzbudzeniu fal w jednym punkcie i monitorowaniu całego obszaru, rozchodzącego się zaburzenia. Działa to mniej więcej tak, jak wtedy, gdy wrzucimy kamień do wody i na jej powierzchni zaczyna propagować zaburzenie w formie kolistej fali. Jeśli fala natrafi na jakiś obiekt, np. drewienko, to zaburzenie zmienia sposób rozchodzenia się. Moim celem jest stwierdzenie tych anomalii, rozchodzenia się zaburzenia i ocena, gdzie w konstrukcji występuje uszkodzenie, pęknięcie, korozja, albo rozwarstwienie – wyjaśnia dr inż. Beata Zima.

Równolegle naukowczyni badała wpływ konfiguracji i liczby czujników na efektywność wykrywania uszkodzeń.

–  Udało się poprawić rozwiązanie teoretyczne z dostępnej literatury dotyczące zmian amplitudy fali w zależności od tego jak się ona rozchodzi. Pozwoliło to na zaproponowanie algorytmu służącego wykrywaniu uszkodzeń w postaci pęknięć czy rys i określania ich rozmiaru z wykorzystaniem zaledwie trzech czujników, co dotychczas było minimalną, konieczną liczbą do jednoznacznej lokalizacji uszkodzenia punktowego – podkreśla dr inż. Beata Zima.

Prace nad usprawnieniem i opracowaniem nowych procesów diagnostycznych dr inż. Beata Zima będzie kontynuować w ramach projektu finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki (konkurs Miniatura) pn. „Wpływ obecności uszkodzeń na odpowiedź dynamiczną elementów betonowych zbrojonych niemetalicznymi prętami kompozytowymi w połączonej dziedzinie czasu i częstotliwości”.

– W poprzednich pracach wykorzystywałam drgania o bardzo wysokich częstotliwości (100-200 kHz), w tym projekcie będę wykorzystywać dużo niższe częstotliwości. Pozwoli mi to diagnozować cały obiekt, podczas gdy metoda propagacji fal umożliwia wykrywanie konkretnych uszkodzeń. Opracowane przeze mnie metody będą komplementarne. Mam nadzieję, że w oparciu o te badania będzie można w przyszłości tworzyć całe systemy diagnostyczne – zapowiada dr inż. Beata Zima.

Za cykl dziesięciu publikacji pt. „Analiza i wykorzystanie zjawiska propagacji fal w celu identyfikacji uszkodzeń mechanicznych” dr inż. Beata Zima została nagrodzona nagrodą Gdańskiego Towarzystwa Naukowego i Prezydenta Miasta Gdańska dla młodych pracowników nauki za rok 2020 (Wydziału IV Nauk Technicznych).