Anwendung der Infrarot-Thermografie zur Abschätzung der Eigenspannung in Bodenankern für Wartungszwecke

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 36 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Die Charakterisierung der Integrität von Bodenankern ist für die Prüfung ihrer Verwendbarkeit bei der Erhaltung der Bodenstruktur von wesentlicher Bedeutung. Der für diesen Zweck üblicherweise verwendete Abhebetest weist jedoch Einschränkungen auf, wenn er alle installierten Bodenanker abdeckt. Das Ziel dieser Studie besteht darin, die Möglichkeit der Verwendung der Infrarot-Thermografie zur Messung der Eigenspannung in Bodenankern als berührungslose Technik zu bewerten, die die Nachteile bestehender Techniken umgeht. Um den genauen Emissionsgrad der getesteten Materialien zu bestimmen, wird ein Vorversuch durchgeführt. Als repräsentative Techniken der Infrarot-Thermografie kommen sowohl passive als auch aktive Methoden zum Einsatz. Im groß angelegten Experiment werden Infrarotbilder von vier installierten Strängen mit wachsender Spannung im Bereich von 0–400 kPa in 100-kPa-Intervallen in der passiven Messmethode verwendet. Bei der aktiven Methode werden dieselben Spannungsbereiche mithilfe einer UTM-Maschine auf einen beheizten Ankerkopf ausgeübt. Die Ergebnisse der passiven Methode zeigen, dass die Temperatur je nach Lade- und Entladeschritt anstieg und abnahm. Werte für den Abkühlgeschwindigkeitsindex werden aus den Ergebnissen der aktiven Methode abgeleitet und ein zuverlässiges Verhalten wird nach 10 und 15 Minuten beobachtet. Auch die Anzahl der Pixel mit großen Temperaturänderungen änderte sich mit dem Ladeschritt sowohl bei passiven als auch bei aktiven Methoden. Diese Studie zeigt, dass die Infrarot-Thermografie als eine Art berührungsloses Verfahren eine geeignete alternative Methode zur Beurteilung der Eigenspannung in Bodenankern ist.

Bodenanker bieten eine hohe Tragfähigkeit zur Stabilisierung der Bodenstruktur in Hangkonstruktionen und es sind regelmäßige Inspektionen erforderlich, um die Leistung bei sich verschlechternden und alternden Ankern abzuschätzen1,2. Der Abhebetest wird im Allgemeinen verwendet, um die Restspannung von Ankern abzuschätzen3,4, wobei der Ankerkopf mit einem hydraulischen Wagenheber herausgezogen wird. Diese Methode weist jedoch Einschränkungen in der Anwendung auf, da sie teuer und zeitaufwändig ist5. Es ist unmöglich, alle an derselben Stelle errichteten Anker zu untersuchen, und daher wird die Eigenspannung in der Regel nur bei einigen wenigen Ankern durch Stichprobenprüfungen bewertet. Es wurde eine zerstörungsfreie Technik vorgeschlagen, um die Leistung einer ausreichenden Anzahl von Ankern zu bewerten. Zima und Rucka6 versuchten, die Spannungscharakterisierung in unterschiedlich festen Längen von Bodenankern auf der Grundlage der durch geführte Wellen erzeugten Energieübertragung zu untersuchen, wobei die Energieübertragung durch einen geometrischen Parameter zwischen der Sehne und dem umgebenden Ankerkörper verursacht wird. Tamrakar et al.7 nutzten Ultraschallwellen, um die Eigenspannung in Erdankern abzuleiten, und es wurden sowohl die Wellenform als auch die maximale Amplitude auf der Oberfläche von Lagerplatten bestimmt. Der allgemeine Zusammenhang zwischen Zugspannung und Messwert wurde durch Labor- und Feldexperimente nahegelegt. Für die Charakterisierung einer in Beton unter der Erde vergrabenen Ankerstange wurde auch die Frequenzbereichsreflektometrie ausgewählt. Diese Methode liefert auch Informationen über den beschädigten Standort für Wartungsarbeiten8. Das vorgeschlagene Verfahren ist auch hinsichtlich der Kontaktierung des Sensors mit dem Ankerkopf umständlich. Daher ist es notwendig, berührungslose Wartungsmethoden zu entwickeln. In dieser Studie wird der Einsatz der Infrarot-Thermografie als Wartungstechnik zur Abschätzung des Spannungsniveaus in Erdankern bewertet.

Infrarot-Thermografie (IRT) wurde ursprünglich für militärische Zwecke eingesetzt9,10 und wird seit Kurzem auch im technischen Bereich eingesetzt, um die Eigenschaften und Mängel von Objekten zu bestimmen11,12,13,14,15,16,17,18. Die von einem Objekt erzeugte Wärme hängt von Strahlung, Konvektion und Leitung ab, und von diesen hat Strahlung den größten Einfluss auf die Diffusion von Wärmeenergie19,20,21. Wärmeenergie wird von allen Objekten mit einem Temperaturzustand über −273 °C (0 K) bei Wellenlängen im Bereich von 0,7–1000 μm abgestrahlt. IRT wird verwendet, um die von einem Objekt unter bestimmten Bedingungen abgegebene Wärmeenergie zu messen, und die thermografische Technik ist für Experimente und Analysen in aktive, hybride und passive Methoden unterteilt22. Die aktive Methode misst die Temperatur eines Objekts im Heiz- oder Kühlzustand durch eine künstliche Wärmequelle, und die passive Methode ermittelt die Temperaturverteilung eines Objekts ohne Verwendung einer zusätzlichen Wärmequelle. Daher handelt es sich bei der aktiven Methode um eine quantitative Analysemethode, und die Eigenschaften des Objekts können durch den relativen Vergleich der Messwerte verstanden werden. Bei der passiven Methode wird eine qualitative Analyse durchgeführt, nachdem der abnormale Zustand entsprechend der Temperatur im Voraus erkannt wurde23,24,25. In diesem Artikel wird versucht, eine nützliche Methode zur Bewertung der Leistung von Erdankern abzuleiten, wobei sowohl aktive als auch passive Methoden berücksichtigt werden.

Dieses Manuskript beginnt mit der Erläuterung des technischen Konzepts, das die Vorhersage von Eigenspannungen mithilfe der IRT-Technik ermöglicht, und die Beziehung zwischen Wärmeausdehnung und Spannung wird auch durch ein mathematisches Modell ausgedrückt. Um eine sinnvolle Methode zur Bewertung der Eigenspannung des Ankers mit IRT vorzuschlagen, werden die experimentellen Verfahren und Ergebnisse aktiver und passiver Methoden beschrieben. Darauf aufbauend wird das Verhalten von Eigenspannung und Temperatur, gemessen mittels Infrarot-Thermografie, erläutert.

Wenn die Temperatur eines Objekts steigt, gibt das Objekt mehr Wärmefluss ab. Der Wärmefluss ist definiert als die gesamte pro Zeiteinheit abgestrahlte Energie und wird mit verschiedenen Namen bezeichnet, darunter Schwarzkörperbestrahlungsstärke, Energieflussdichte, Strahlungsfluss oder Emissionsleistung26,27,28. Nach dem Stefan-Boltzmann-Gesetz ist der Wärmefluss (I) eine Funktion der Temperatur (T) und einer Proportionalkonstanten (μ). Die Formel für den Wärmefluss ist jedoch als Gleichung definiert. (1), das die absorbierte Menge und die abgegebene Energie berücksichtigt, da ein Objekt nicht die gesamte abgestrahlte Wärme absorbiert.

wobei die Proportionalitätskonstante von μ der Stefan-Boltzmann-Koeffizient 5,6704 × 10–8 W/m2 K ist und ψ den Emissionsgrad bezeichnet, der das Verhältnis der von einem schwarzen Körper zu einem Objekt abgestrahlten Energie darstellt. Der Emissionsgrad ist theoretisch eine Einheit für einen schwarzen Körper und der Wert ist unter natürlichen Bedingungen kleiner als 129, da er stark von der molekularen Struktur und den Oberflächeneigenschaften des Zielobjekts beeinflusst wird. Auch wenn je nach Material ein angemessener Emissionsgrad vorgeschlagen wird, ist ein vorläufiger Test erforderlich, um den Emissionsgrad abzuschätzen, der den experimentellen Bedingungen unter Berücksichtigung der Wellenlänge des Infrarotlichts und der Eigenschaften der Luft in der Atmosphäre entspricht30.

Thermoelastizität stellt die Erzeugung thermischer Energie entsprechend der Spannungsänderung (Laständerung) eines Objekts dar31,32. In der thermodynamischen Theorie wird die Spannung (σ) entsprechend der Dehnung (ε) und der Temperatur (T) gemäß Gl. definiert. (2) und wird verwendet, um die durch thermische Veränderungen verursachte Spannung abzuschätzen.

Dabei ist u die innere Energie pro Volumeneinheit, σij und εij sind Komponenten der Spannungs- und Dehnungstensoren, T ist die absolute Temperatur, s ist die Entropie. Bei elastischen Festkörpern im adiabatischen Zustand gilt Gl. (3) kann erhalten werden:

Dabei ist ρ die Dichte, Cε die spezifische Wärme bei konstanter Dehnung, Cijkl der elastische Tensor und αkl der thermische Ausdehnungstensor. Unter der Annahme, dass Cijkl und αkl unabhängig von T sind, kann die erstere Gleichung wie folgt vereinfacht werden:

Für Materialien mit isotroper Wärmeausdehnung und isotropem Elastizitätsmodul. Wir können den Zusammenhang zwischen Temperaturdifferenz und Dehnung ermitteln:

wobei Δεkk die Summe der Hauptdehnungen darstellt.

IRT erhält die Wärmebilder durch ein Wärmekameraobjektiv, das Licht im Bereich der Infrarotwellenlänge (0,7–1000 μm) empfängt, wie in Abb. 1 dargestellt, und der Typ der Wärmekamera variiert je nach Infrarotwellenlängenbereich33,34. In dieser Studie wurde eine Infrarotkamera (MWIR) verwendet, die Wärmewellen im mittleren Wellenlängenbereich (3–5 μm) misst. Eine Wärmebildkamera misst die Temperatur auf der Oberfläche eines Objekts und der Wert kann je nach Oberflächenemissionsgrad verzerrt sein. In dieser Studie wurde vorab das Experiment zur Emissionsgradmessung des SM45C-Materials durchgeführt, das auch in Erdankern verwendet wird, um einen zuverlässigen Temperaturwert zu erhalten. Zum Einsatz kam die Wärmebildkamera von FLIR mit einer Auflösung von 240 × 180 Pixeln und einer thermischen Empfindlichkeit von 0,06 °C. Darüber hinaus verfügt es über eine Abtastrate von 15 fps, was bedeutet, dass es 15 Bilder pro Sekunde messen kann.

Prinzip der Infrarot-Thermografie.

Der Emissionsgrad kann anhand der von einem Objekt abgestrahlten Energie abgeschätzt werden, wie in Gl. (1); Es gibt jedoch Einschränkungen hinsichtlich der einfachen Energiegewinnung. Der Emissionsgrad wird als Eingabewert verwendet, wenn das Temperaturbild eines Objekts gemessen wird. Daher wird der Wert anhand der Differenz zwischen dem gemessenen Wärmebild und der tatsächlichen Temperatur entsprechend der Änderung des Eingabewerts geschätzt. Der Emissionsgrad wurde von 0,1 auf 1,0 geändert und das Wärmebild gemessen. Der Ankerkopf kann die umgebende Wärmequelle leicht reflektieren, da er aus Stahl besteht, und es ist schwierig, die Temperaturänderung mit einer Wärmebildkamera genau zu messen. Daher wurde zur Minimierung der Wärmereflexion Mattlack (Lichtstärke < 2 %) auf den Ankerkopf aufgetragen und anschließend die thermischen Eigenschaften beobachtet. Das Wärmebild wurde gemessen, während die Temperatur mit einer Infrarotlampe auf einer Stahlplatte aus dem gleichen Material wie der Ankerkopf (SM45C) erhöht wurde, wie in Abb. 2 dargestellt. Die Leistung der Infrarotlampe betrug 250 W und der Abstand von Die Stahlplatte zur Wärmebildkamera wurde auf etwa 0,3 m gehalten. Die thermische Energie wurde mit einer Infrarotlampe 60 Minuten lang angewendet, bis sich die Temperatur der Stahlplatte unter Berücksichtigung der Labortemperatur von etwa 20 °C einem konstanten Wert von 27,5 °C annäherte. Das Kontaktthermometer wurde ebenfalls angebracht, um die genaue Temperatur der Stahlplatte zu messen, und der Emissionsgrad, der ein Wärmebild zeigt, das der tatsächlichen Temperatur annähernd entspricht, wurde abgeleitet. Der Betrachtungswinkel der Infrarotkamera ist so eingestellt, dass sie die gesamte Stahlplatte misst. Darüber hinaus wurde auch die Temperatur mit zunehmender Dicke der matten Farbe in 1-mm-Intervallen im Bereich von 1–10 mm gemessen, um den Einfluss der Dicke der aufgetragenen Farbe auf den Emissionsgrad zu bestimmen.

Experimentelles Konzept zur Ableitung des Emissionsvermögens des Ankerkopfes: (a) Sensorposition; (b) Messung.

Das groß angelegte Experiment wurde durchgeführt, um den Zusammenhang zwischen Eigenspannung und Temperatur auf der Grundlage der passiven Methode zu untersuchen. Es kann einen Spannungssitz mit einer maximalen Belastung von 800 kN simulieren, wie in Abb. 3 dargestellt. Die Zugkraft kann 100 kPa betragen auf eine Litze (Durchmesser: 12,7 mm, 7 Adern) aufgebracht und so insgesamt 4 Adern verlegt; Als Referenz: Die Auslegungsspannung eines Erdankers beträgt im Allgemeinen 400 kPa. Die Länge der Litze wurde unter Berücksichtigung der Länge des Spannsitzes auf 10 m festgelegt. Die thermische Messposition wurde auf den Befestigungsbereich eingestellt, in dem der Ankerkopf installiert ist. Daher wurde die tragende Vorrichtung in entgegengesetzter Richtung zum Befestigungsbereich installiert, um Störungen bei der Temperaturmessung zu vermeiden. Die Zugkraft wurde mit einem Hydraulikzylinder (maximale Belastung: 1 MN) aufgebracht und die Belastung über eine Kraftmessdose (maximaler Messbereich: 1 MN) überprüft. Der Bereich des freien Ankers erzeugt bei Belastung eine Zugkraft, die Druckspannung wirkt jedoch auf den Ankerkopf. Der Lade- und Entladedruck variierte im Bereich von 0–400 kPa in 100-kPa-Intervallen, und die thermische Änderung wurde gemessen. Die Dauer jedes Belastungsschritts betrug 5 Minuten und das Experiment wurde insgesamt 45 Minuten lang durchgeführt. Die Wärmebildkamera war 0,3 m vom Ankerkopf entfernt positioniert und die Daten wurden mit 15 Bildern pro Sekunde (15 fps) erfasst. Der Ankerkopf wurde 24 Stunden lang auf eine Raumtemperatur von 28,5–29 °C eingestellt, um zuverlässig die Temperatur zu messen, wenn die aufgebrachte Last in Wärmeenergie umgewandelt wird. Für den Ankerkopf wurde das gleiche Modell verwendet, das im tatsächlichen Einsatzgebiet angewendet wurde, und die Dicke, der Durchmesser, die Fläche und der Elastizitätsmodul betrugen 43 mm, 108 mm, 0,0095 m2 bzw. 2,06 × 1011 N/m2. Das Material des Ankerkopfes ist SM45C, das zu 42–48 %, 60–90 % bzw. 0,15–0,35 % Kohlenstoff, Mangan und Silizium enthält. Laut KS D-375235 betragen die Streckgrenze, Zugfestigkeit und Dehnung von SM45C 490 N/mm2, 686 N/mm2 bzw. 17 % oder mehr.

Schematische Darstellung des Infrarot-Thermografie-Experimentes im realen Maßstab des Bodenankers.

Bei der aktiven Methode, wie in Abb. 4 dargestellt, wurde der Ankerkopf mit künstlicher Wärme beaufschlagt, um die Temperaturänderung entsprechend der Belastung zu messen. Der Ankerkopf wurde 24 Stunden lang in einen Thermohygrostaten mit einer Temperatur von 80 °C eingesetzt, um künstliche Wärme zu erzeugen. Das Experiment war darauf ausgelegt, die Druckkraft auf den Ankerkopf zu übertragen, und daher wurde die Universaltestmaschine (UTM) (maximale Kapazität: 1 MN; minimale einstellbare Kapazität: 0,1 kN) ausgewählt. Die Belastung wurde in 5 Schritten von 0, 100, 200, 300 und 400 kPa auf die gleiche Weise wie bei der passiven Methode eingestellt. Die Messungen wurden durchgeführt, indem der Temperaturabfall etwa eine Stunde lang überwacht wurde, bis sich die Temperatur des beheizten Ankerkopfes der Labortemperatur (25–28 °C) annäherte. Danach wurde die Last entfernt, um zu prüfen, ob es innerhalb einer Stunde zu einer weiteren Temperaturänderung kam. An der Unterseite des Ankerkopfes wurde Gummi mit geringer Wärmeleitfähigkeit angebracht, um die Übertragung der von der UTM-Hydraulik erzeugten Temperatur auf den Ankerkopf zu verhindern. Die Wärmebildkamera war auf die Vorderseite des Ankerkopfes in einer Entfernung von 0,3 m fokussiert und die Daten wurden mit 15 Bildern pro Sekunde erfasst. Die aktive Methode misst die Abkühlungstendenz des künstlich beheizten Ankerkopfes entsprechend der Belastung, und der Entladeschritt wurde weggelassen, da er die Simulation der Entladebedingungen einschränkte. Für den Ankerkopf wurde dasselbe Modell verwendet, das auch bei der passiven Methode ausgewählt wurde.

Schematische Beschreibung zur Durchführung der Aktivmethode mit beheiztem Ankerkopf und Universalprüfmaschine (UTM).

Abbildung 5a zeigt den Boxplot der von der Wärmebildkamera gemessenen Temperaturschwankung bei Änderung des Emissionsgrads. Die Temperatur nimmt mit zunehmendem Emissionsgrad nichtlinear ab. Die Bereiche des Boxplots sind bei einem kleinen Emissionsgrad von 0,1 relativ groß und konvergierten auf einen ähnlichen Wert von etwa 0,9 beim Emissionsgrad. Der Emissionsgrad wurde in Schritten von 0,1 im Bereich von 0,1 bis 0,9 und in Schritten von 0,01 im Bereich von 0,9 bis 1,0 erhöht, wenn man bedenkt, dass der Emissionsgrad typischer Farben bei etwa 0,914,15 liegt. Bei einem Emissionsgrad von 0,1 wurde die gemessene Durchschnittstemperatur bis etwa 205 °C aufgezeichnet, was deutlich von der mit einem Kontaktthermometer gemessenen tatsächlichen Temperatur von 50 °C abweicht. Der Unterschied zwischen der von der Wärmebildkamera und dem Kontaktthermometer gemessenen Temperatur nimmt mit zunehmendem Emissionsgrad ab. Der gemittelte Abstand zeigt 0,45 °C im Bereich von 0,96–1,00 Emissionsgrad, was auf eine ausgezeichnete Zuverlässigkeit hinweist. Der Emissionsgrad der matten Farbe wurde auf 0,96–1,00 geschätzt, und der Durchschnittswert von 0,98 wurde in dieser Studie als Emissionsgrad des Ankerkopfes verwendet. Darüber hinaus ist in Abb. 5b der Temperaturverlauf in Abhängigkeit von der Lackdicke dargestellt, wobei der zuvor ermittelte Emissionsgrad von 0,98 als Eingabewert verwendet wurde. Beachten Sie, dass die von der Wärmebildkamera gemessene Temperatur unabhängig von der Dicke im Durchschnitt einen konstanten Wert von 50 °C anzeigt. Die gemessene Temperatur entspricht nahezu dem wahren Wert und die Dicke des matten Lacks hat kaum Einfluss auf das Wärmebild.

Abgeleitete Emissionsgradverteilungen für (a) Vergleich der mit Thermometer und Infrarot-Thermografie gemessenen Werte; (b) Mattlack in verschiedenen Stärken.

Das mit der passiven Methode gemessene Wärmebild ist in Abb. 6 dargestellt. Das Bild besteht aus 12.600 Gittern unter Berücksichtigung der Auflösung (240 × 180 Pixel) der Wärmebildkamera, die zur Beobachtung der detaillierten Eigenschaften verwendet wird. Die Bilder sind bei 0 und 5 Minuten für die Anfangs- und Endzeiten der Belastung angeordnet, die dem Zeitintervall von 5 Minuten entsprechen. Der gemessene Temperaturbereich betrug 33,0–36,5 °C und der Ankerkopf war zur Unterscheidung von der Lagerplatte weiß markiert. Bei Belastung wurde an der Stelle des Stranges eine relativ hohe Temperatur gemessen, während des Entlastungsschrittes sank die Temperatur an derselben Stelle. Die Temperaturänderungen im Ankerkopf entsprechend den Belastungen wurden quantitativ gemittelt, und die Ergebnisse sind in Abb. 7 dargestellt. Der Durchschnittswert weicht selbst unter der gleichen Belastung geringfügig ab, obwohl die Temperatur im Vergleich zu ≈ 1 °C bei 300 kPa anstieg Anfangstemperatur von 34 °C. Beim letzten Schritt von 400 kPa beträgt der Temperaturunterschied zu dem bei 300 kPa durchschnittlich 0,03 °C, was zeigt, dass der Temperaturanstieg gering ist. Im Schritt von 300–400 kPa wird davon ausgegangen, dass die Temperaturänderung gering ist, da die Spannkraft des Hydraulikzylinders nicht ausreichend auf den Ankerkopf übertragen wird. In der Entladephase sank die gemessene Temperatur im Allgemeinen und die Endtemperatur betrug 33,3 °C, was der Anfangstemperatur ähnelt. Der Grund dafür, dass die Temperatur während der Lade- und Entladeschritte steigt und fällt, liegt darin, dass die mechanische Spannung auf der Grundlage der thermodynamischen Theorie in thermische Spannung umgewandelt wird, wie in Gleichung (1) gezeigt. (2).

Wärmebild gemessen durch Infrarot-Thermografie im passiven Verfahren.

Durchschnittliche Temperaturänderung im Vergleich zur verstrichenen Zeit bei jedem Belastungsschritt bei der passiven Methode.

Die mit der aktiven Methode gemessenen Daten wurden auf die gleiche Weise wie bei der passiven Methode abgebildet und die Ergebnisse wurden für verstrichene Zeiten von 0, 5, 10, 15, 20, 30, 60, 90 und 120 Minuten gesammelt. Die bei 0 Minuten gemessenen Werte lagen im Bereich von 69–80 °C, da mit einer Thermo-Hygrostat-Kammer geheizt wird und die Temperatur schnell auf 29–35 °C abgesenkt wird, was etwa 45 °C des Änderungswerts entspricht bei 30 Min. Darüber hinaus konvergiert die Temperatur nach 60 Minuten bei Entlastung auf 0 kPa auf etwa 24 °C, was der Labortemperatur ähnelt. Es wird darauf hingewiesen, dass der Einfluss der Temperaturänderung beim Entladen vernachlässigbar war. Die Temperaturen bei 9600 Gittern in Abb. 8 wurden quantitativ gemittelt und wie in Abb. 9 dargestellt grafisch dargestellt. Die im Ankerkopf gemessene Temperatur zeigt einen nichtlinearen Trend, wobei die Steigung je nach aufgebrachter Last variiert. Der bei 0 kPa erhitzte Ankerkopf zeigte während 30 Minuten eine relativ langsamere Temperaturänderung als andere Lasten und die Temperatur sank auch nach 60 Minuten kontinuierlich ab. Andererseits zeigt der mit 100, 200, 300 und 400 kPa belastete Ankerkopf, dass die Temperatur bis zu etwa 10 Minuten schnell abnahm und sich dann einem konstanten Wert annäherte. Abbildung 9 zeigt die Tendenz der Temperaturänderung im Laufe der Zeit, beschränkt sich jedoch auf die Bestimmung des unterschiedlichen Verhaltens je nach Belastung. Die Variation der Steigungen führt dazu, dass die Abkühlungsraten unterschiedlich sind und eine detaillierte Analyse erforderlich ist. Daher wird der Inhalt im Diskussionsteil gesondert erläutert.

Wärmebild gemessen durch Infrarot-Thermografie im aktiven Verfahren.

Durchschnittliche Temperaturänderung im Vergleich zur verstrichenen Zeit bei jedem Ladeschritt in der aktiven Methode.

Die extrahierten Maximal-, Minimal- und Durchschnittstemperaturen aus Abb. 6 werden in Abb. 10 entsprechend der verstrichenen Zeit dargestellt. Beachten Sie, dass die Temperatur auch bei gleicher Belastung 5 Minuten lang schwankt. Die Maximal- und Minimalwerte wurden entsprechend der Belastung gewählt, um den gesamten Bereich der gemessenen Temperatur zu untersuchen. Die maximalen Temperaturen wurden auf 34,9, 35,8, 36,4, 36,5, 36,7, 36,2, 35,2, 36,3 und 34,5 °C für 0, 100, 200, 300, 400 (Beladung), 300, 200, 100 und 0 kPa geschätzt ( Entladung). Die niedrigsten Temperaturen unter den Mindestwerten wurden entsprechend der Lade- bzw. Entladereihenfolge mit 33,2, 33,5, 33,6, 33,7, 33,7, 33,2, 33,3, 33,2 und 32,9 °C ausgewählt. Die Temperaturänderungen der Maximal- und Minimalwerte wurden auf durchschnittlich 0,45 bzw. 0,12 °C in der Belastungsphase berechnet. Der Entladeschritt zeigt ebenfalls ähnliche Werte von durchschnittlich 0,55 und 0,20 °C für den Maximal- bzw. Minimalwert. Obwohl die Temperaturänderung mit etwa 300–400 kPa relativ gering war, lässt sich erkennen, dass je nach Be- und Entladeschritt angemessene Temperaturänderungen auftreten.

Verteilung der gemessenen Temperatur bei der passiven Methode: (a) maximale, minimale und gemittelte Temperaturen; (b) Temperaturunterschied je nach Ladung.

Die Temperatur wird theoretisch nach Gl. berechnet. (5) ist in Abb. 10a in roter Farbe dargestellt, was zur Überprüfung der Zuverlässigkeit der gemessenen Temperatur dient. Es wurden ein Anfangsvolumen und eine Wärmekapazität von 393,72 cm3 bzw. 0,486 J/K36 verwendet. Die Temperatur spiegelt die für jede Ladung berechnete Temperatur wider. Die Dehnung wurde anhand des Elastizitätsmoduls (2,06 × 1011 N/m2) des Ankerkopfes berechnet und unter Berücksichtigung der gemessenen Temperatur ein thermischer Spannungskoeffizient von 0,06 K abgeleitet. Die theoretisch berechnete Temperatur liegt in der Nähe des Mittelwerts und die Tendenz nimmt in Abhängigkeit von den Be- und Entladeschritten zu und ab. Beachten Sie, dass die durch das Wärmebild gemessene Temperatur zuverlässig ist und die Restspannung des Ankerkopfes mithilfe der passiven Methode geschätzt werden kann.

Die maximale und minimale Temperaturdifferenz für jede Last ist in Abb. 10b dargestellt, um die Änderung der gemessenen Temperatur entsprechend der Eigenspannung zu beobachten. Der maximale Temperaturunterschied wird auf 1,9 °C beim Entladen von 400 auf 300 kPa berechnet. Der minimale Temperaturunterschied beträgt etwa 0,05 °C sowohl bei Beladungsbedingungen von 200 und 400 kPa als auch bei Entladebedingungen von 200 und 100 kPa. Beachten Sie, dass die Last an jedem Standort unterschiedlich übertragen wird und sich diese Studie auf die Bereiche konzentrierte, in denen sich die Last stark ausbreitet. Die Position der größten Temperaturänderung ist in Abb. 11 durch ein weißes Kästchen gekennzeichnet, und das Kästchen erschien um den Strang herum, auf den die Druckkraft direkt ausgeübt wurde. Obwohl die Temperaturänderung nur im oberen Strang beobachtet wurde, wenn die aufgebrachte Last 100 kPa betrug, zeigt die Vergrößerung des weißen Kästchens zum oberen und unteren Strang eine zunehmende Last. Daher betrug die Anzahl der Pixel 123 bei 100 kPa und die Pixelfläche vergrößerte sich um 1251 (oben: 689, unten: 562) bei 400 kPa. Ein ähnliches Verhalten ist bei Entlastungsbedingungen zu beobachten, allerdings wurde in 80 Pixeln eine relativ große Temperaturänderung aufgrund von Restspannung beobachtet, selbst wenn alle Lasten bei 0 kPa entlastet wurden. Beachten Sie, dass die Anfangslast als Einzellast intensiv auf einen Teil der Litze einwirkt und sich die Last mit zunehmender Last in eine verteilte Last auf der Vorderseite des Ankerkopfes ändert. Darüber hinaus wird davon ausgegangen, dass die Last beim Entladen abgebaut wird und sich auch die betroffene Fläche verringert. In den Ergebnissen wird auch der Ort angegeben, an dem die Litze installiert ist, was eine bessere Vorhersage des Lastwechsels mit der passiven Methode ermöglicht.

Mit der passiven Methode gemessene Wärmebilder. Das weiße Kästchen markiert den Bereich der signifikanten Variation.

Um die Steigung des Zeit-Temperatur-Diagramms in den Ergebnissen der aktiven Methode quantitativ zu analysieren, wurde der Abkühlungsratenindex (CRI) als Verhältnis der Temperaturänderung (ΔTanchor) pro Zeiteinheit (Δt) in Gleichung (1) abgeleitet. (6)37,38.

Die Zeiteinheit wurde auf 5, 10, 15, 20 und 30 Minuten eingestellt, um die CRI-Verteilungen zur Unterscheidung von Werten für jede Last zu untersuchen. Die Kurve des berechneten CRI ist nachweislich normalverteilt, wie in Abb. 12 dargestellt, und die Bereiche des maximalen und minimalen CRI sind ebenfalls angegeben. Der für 5 Minuten berechnete CRI5 zeigt einen großen Überlappungsbereich jeder Kurve und es ist schwierig, die Last mit CRI5 zu trennen. Allerdings trat bei angelegter Last bei CRI10, CRI15, CRI20 und CRI30 eine geringere Temperaturänderung auf. Die verteilte Last wird im Allgemeinen bei zunehmender Last in den Ankerkopf eingeleitet, wie die Ergebnisse der passiven Methode mit erweiterter Pixelfläche zeigen. Dies hängt mit der Häufigkeit der Normalverteilungskurve zusammen und daher sollte der Spitzenwert der Normalverteilungskurve mit zunehmender Last höher sein. CRI10 und CRI15 erfüllen die Bedingungen und die Ergebnisse von CRI10 und CRI15 erweisen sich somit als die besten für die aktive Methode. Darüber hinaus sollte der überlappende Bereich jedes CRI minimiert werden, um die entsprechende Belastung vorherzusagen. Die CRI10 und CRI15 waren im Bereich von 20–80 %-Quantilen verteilt und die Werte sind in Tabelle 1 zusammengefasst. Die Quantilwerte von 30–70 % zeigen relativ kleine Überlappungsbereiche in CRI10 und CRI15, die in Grün und Rot angezeigt werden , jeweils. Obwohl CRI10 eine leichte Überlappung der Daten zwischen 200 und 300 kPa für die Eigenspannung zeigte, gibt es bei den übrigen Lasten in CRI10 und CRI15 keine überlappenden Bereiche. Daher können CRI10 und CRI15 bei Verwendung der aktiven Methode vernünftige Schätzungen der Eigenspannung mit einem Konfidenzintervall von 30–70 % liefern. Die dem Konfidenzintervall entsprechenden CRI10 und CRI15 sind in Abb. 13 dargestellt und die Durchschnittswerte als Linie dargestellt. Obwohl das Änderungsverhältnis des CRI für jede Last unterschiedlich ist, ist es möglich, die Last zu klassifizieren, indem das Konfidenzintervall mit CRI10 und CRI15 wie oben beschrieben angepasst wird. Die Pixelposition, die den maximalen Temperaturunterschied basierend auf CRI10 und CRI15 zeigt, ist in Abb. 14 dargestellt, analysiert mit einem Konfidenzintervall von 30–70 %. Die Position, an der das Temperaturänderungsverhältnis hoch ist, konzentriert sich auf die Mitte des Ankerkopfes, wo die UTM-Maschine die Last aufgebracht hat. Sowohl CRI10 als auch CRI15 zeigen, dass die Anzahl der Temperaturdifferenzpixel bei einer wachsenden Belastung von 100 auf 400 kPa auf 190 % bzw. 210 % anstieg.

Umgerechneter Abkühlungsratenindex (CRI) basierend auf der aktiven Methode mit Zeitintervallen von (a) 5 Minuten; (b) 10 Minuten; (c) 15 Minuten; (d) 20 Minuten; (d) 30 Min.

Boxplots von CRI10 und CRI15 basierend auf Quartilen.

Mit der aktiven Methode gemessene Wärmebilder durch: (a) CRI10; (b) CRI15. Die schwarze Box bezeichnet den Bereich der signifikanten Variation.

Diese Studie wurde durchgeführt, um die Eigenspannung in Erdankern mittels Infrarot-Thermografie abzuleiten. Zur Bestimmung des Zusammenhangs zwischen Eigenspannung und Ankerkopftemperatur wurden sowohl passive als auch aktive Methoden angewendet. Die detaillierten Schlussfolgerungen lauten wie folgt.

Um die Ankerkopftemperatur in einem groß angelegten Experiment zu ermitteln, wurde eine passive Methode angewendet. Das aufgezeichnete IRT zeigt, dass die Temperatur bei Be- und Entladevorgängen ansteigt und abnimmt.

Zur Simulation der aktiven Methode wurde eine künstliche Wärmequelle verwendet und die gemessene Temperatur entsprechend jeder Last in einen Abkühlratenindex umgewandelt. Die Intervalle von 10 und 15 Minuten (CRI10 und CRI15) erweisen sich als sinnvolle Zeitintervalle zur Ableitung der Eigenspannung.

Die Anzahl der Pixel erhöht sich, wenn die Last sowohl bei passiven als auch bei aktiven Methoden angewendet wird, da die Dehnung auf der Grundlage der thermodynamischen Theorie in thermische Spannung umgewandelt wird. Beachten Sie, dass diese Studie zeigt, dass die IRT-Technik Restspannungen liefern kann, um die Integrität von Bodenankern abzuschätzen.

Die während der aktuellen Studie verwendeten und/oder analysierten Datensätze sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

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Diese Forschung wurde durch das Basic Science Research Program der National Research Foundation of Korea (NRF) unterstützt und vom Bildungsministerium finanziert (NRF-2020R1A2C2012113).

Abteilung für Bau- und Katastrophenschutztechnik, Daejeon-Universität, Daejeon, 34520, Korea

Dae-Hong Min, Byeong-su Jang und Hyung-Koo Yoon

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D.-HM, BJ verwaltete Daten und H.-KY Analysedaten. Alle Autoren überprüften die endgültige Fassung des Manuskripts.

Korrespondenz mit Hyung-Koo Yoon.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Min, DH., Jang, Bs. & Yoon, HK. Anwendung der Infrarot-Thermografie zur Abschätzung der Eigenspannung in Bodenankern für Wartungszwecke. Sci Rep 13, 36 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-022-27222-7

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Eingegangen: 27. Mai 2022

Angenommen: 28. Dezember 2022

Veröffentlicht: 02. Januar 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-27222-7

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