Esplorare i metodi di controllo non distruttivo utilizzati per localizzare e ispezionare i condotti e i tiranti di post-tensione nei ponti

Panoramica

• Il Dipartimento dei Trasporti della Florida aveva la necessità di individuare la posizione specifica di un potenziale danno da post-tensione (PT) in due sezioni di travi a cassone del ponte Theodore Roosevelt a Stuart, Florida
• Il Proceq GP8100 è stato utilizzato per identificare la posizione dei tendini, mentre il Pundit PD8050 è stato utilizzato per determinare le condizioni dei tendini.
• Questo progetto ha identificato con successo i potenziali cedimenti dei condotti PT e ha verificato l'integrità delle sezioni buone

Lo scopo di questo progetto era quello di utilizzare i test non distruttivi per localizzare le distorsioni dei tendini PT identificate con un sistema di monitoraggio permanente della salute strutturale.

Sfida

Il ponte Roosevelt ha subito in passato guasti ai condotti PT, tra cui stuccature improprie e rotture di cavi che hanno richiesto una riparazione. In seguito a questi guasti, è stato installato un sistema permanente di monitoraggio acustico e di estensimetri della salute strutturale.

Sono stati ricevuti dati che indicavano un potenziale danno da PT in due sezioni di travi a cassone, ma l'attuale sistema di monitoraggio non è in grado di determinare la posizione specifica. Per evitare di eseguire lavori inutili, è preferibile un metodo non distruttivo per individuare il danno.

Soluzione

Per localizzare i tendini è stato utilizzato il radar a penetrazione terrestre Proceq GP8100 di Screening Eagle e per valutare le condizioni dei tendini PT è stato utilizzato il Pundit Ultrasonic Pulse Echo Linear Array PD8050. Entrambe le sezioni inferiori del condotto PT nella campata interessata sono state scansionate sul pavimento della trave scatolare tra gli ancoraggi. La maggior parte delle sezioni era accettabile, sebbene vi fossero diverse sezioni con potenziali difetti.

Per analizzare a fondo il ponte sono state utilizzate due tecnologie, il radar a penetrazione del terreno (GPR) e l'eco a impulsi ultrasonici (UPE), una per localizzare i tendini e l'altra per analizzarne le condizioni. Entrambe sono in grado di mappare i getti e le anomalie del calcestruzzo, ma ognuna di esse ha una propria specializzazione.

I dispositivi GPR emettono onde elettromagnetiche nel calcestruzzo per creare un'immagine degli oggetti fino a un metro e mezzo sotto la superficie. Una percentuale dell'onda viene riflessa ai confini del materiale, a seconda della costante dielettrica dei materiali. I metalli, come le armature e i condotti PT, hanno una costante dielettrica infinita che crea una forte riflessione, che appare chiaramente nella scansione. Anche l'aria può apparire nella scansione, ma ha una riflessione più debole perché la differenza di costante dielettrica tra il calcestruzzo e l'aria è minore. Tuttavia, poiché le onde GPR si riflettono completamente sulle superfici metalliche, i dispositivi GPR non sono in grado di valutare le condizioni all'interno di un condotto metallico, ma sono un ottimo strumento per localizzare con precisione i tendini dei tubi.

Screening Eagle ha tre versioni di GPR per calcestruzzo, ma in questo progetto è stato utilizzato principalmente il GP8100. Questo dispositivo è dotato di 6 antenne per una maggiore copertura dell'area e di scansioni C a passaggio singolo (chiamate superlinee) che consentono una più facile interpretazione (Figura 2). Le scansioni C consentono di visualizzare la profondità del calcestruzzo, partendo dalla superficie e attraversando lo spessore.

Il secondo dispositivo utilizzato è stato un dispositivo UPE (Ultrasonic Pulse Echo Linear Array). Questa tecnologia emette onde acustiche nel calcestruzzo per creare un'immagine degli oggetti fino a un metro e mezzo sotto la superficie. Come nel caso del GPR, ai confini dei materiali c'è una percentuale di energia d'onda riflessa verso il dispositivo che dipende dalla densità, dal modulo elastico e dal rapporto di Poisson dei materiali. Poiché la differenza di densità tra il calcestruzzo e l'aria è molto elevata, la riflessione alle interfacce calcestruzzo/aria è quasi del 100%.

L'UPE eccelle nell'individuare i difetti legati all'aria, come la delaminazione, l'alveolatura e i vuoti, compresi i vuoti di stuccatura all'interno dei condotti PT. L'UPE è in grado di localizzare anche i metalli, ma con minore sensibilità. La differenza di densità tra calcestruzzo e acciaio è minore, quindi solo circa la metà dell'energia viene riflessa nelle interfacce metalliche.

Il dispositivo UPE di Screening Eagle, il Pundit PD8050, utilizza un array lineare di trasduttori che consente una mappatura dettagliata con un migliore rapporto segnale/rumore, in quanto può intersecare i bersagli a diverse angolazioni per una migliore visualizzazione.

Risultati principali

Dati GPR

I dati GPR, come quelli mostrati nella Figura 4, sono stati acquisiti in ogni posizione di scansione per localizzare ciascun tendine. I sei tiranti su ciascun lato del ponte sono chiaramente visibili. Inoltre, la griglia di armatura e la parete posteriore in calcestruzzo sono mostrate ed etichettate. La parete posteriore in calcestruzzo è visibile solo tra la griglia di armatura, perché l'onda non riesce ad aggirare i tendini del ponte per ottenere una riflessione adeguata. Utilizzando i laser sul lato del dispositivo, le posizioni dei tendini sono state contrassegnate sulla superficie del calcestruzzo con gesso rosso.

Dati UPE

Per ogni sezione che compone la scansione completa c'è una riga di istantanee e ogni scansione è etichettata in alto. La fine delle istantanee dei dati corrispondenti a ciascun tendine è identificata da marcatori verdi (M1, M2, M3, ecc.). In altre parole, i dati di ciascun tendine appaiono prima del marcatore corrispondente. A seconda delle condizioni della superficie, sono state scattate almeno tre istantanee su ciascun tendine in diverse posizioni.

A causa della rugosità generale della superficie del pavimento della trave, il sesto tendine non ha potuto essere scansionato in tutte le sezioni, tranne una. L'asse delle ascisse può essere utilizzato per misurare la distanza, ma in questo caso non si è tenuto conto del reticolo completo a favore dell'efficienza dell'ispezione. L'asse y rappresenta la profondità nel calcestruzzo e la superficie è (0,0). Molte scansioni identificano lo spessore della trave a circa 10 pollici sotto la superficie.

La Figura 6 è un buon esempio, in quanto erano presenti 3 istantanee per tendine, con 5 tendini che potevano essere scansionati. Anche in questa sezione erano presenti sezioni di tendine ben stuccate e scarsamente stuccate, ciascuna etichettata con i relativi cartellini. Le aree in rosso indicano una forte riflessione, tipicamente un indicatore di aria. Le aree in giallo o verde indicano una riflessione più debole, probabilmente il metallo e la boiacca nel tendine o potenzialmente un'alveolatura minore. Il blu indica cemento solido o un materiale di densità così simile al cemento che il dispositivo non lo registra.

La Figura 7 mostra un forte riflesso nel terzo condotto PT, ma è stato localizzato solo in un'istantanea. Il resto delle scansioni dei tendini presentava riflessioni di ampiezza inferiore, indicando solo un problema di stuccatura minore in quella posizione centrale. Gli altri tendini di questa sezione sono stati considerati accettabili a causa delle basse riflessioni.

Ci sono molte altre sezioni simili a questo esempio che mostrano riflessioni di bassa ampiezza per indicare la posizione del tendine e confermare le condizioni di stuccatura corrette. In ogni trave c'erano sezioni che presentavano segni significativi di sofferenza. La Figura 6 mostra un'area di delaminazione intorno al tirante 3 e una stuccatura inadeguata nel tirante 5. La delaminazione può essere una riflessione di ampiezza inferiore a seconda dell'ampiezza della fessura, ma è facile da identificare dalla linea retta delle riflessioni. In questo caso, la delaminazione si trova sotto una toppa.

La Figura 8 mostra riflessioni significative con potenziali vuoti d'aria intorno ai tiranti e nella boiacca. In ogni caso, queste forti riflessioni indicano un'ampia presenza di vuoti d'aria in quest'area della struttura.

È importante ricordare che non tutti i forti riflessi sono dannosi. Questo dispositivo è in grado di acquisire immagini a un metro e mezzo di profondità nel calcestruzzo, quindi spesso si verifica un riflesso dall'altro lato del calcestruzzo, chiamato backwall. Se il calcestruzzo è di buona qualità, è possibile che si verifichi un secondo backwall, un'eco del primo viaggio dell'onda attraverso il calcestruzzo. Questo può essere utilizzato per azzerare e calibrare il dispositivo per ottenere le migliori misure di profondità.

Nella campata 3-4 della trave a cassone, era presente una forte e costante parete posteriore sotto il tendine 5, mentre in tutti gli altri punti si vedevano solo accenni occasionali della parete posteriore. I condotti PT possono mettere in ombra la parete posteriore anche se questa è in buone condizioni, a causa dell'energia necessaria per spostarsi tra le interfacce calcestruzzo/metallo/grout. Tuttavia, nel tendine 5, la parete posteriore era visibile per tutta la lunghezza della scansione. Qualunque sia l'interfaccia del materiale che l'onda ha attraversato, non ha assorbito la stessa energia delle altre posizioni scansionate. Ciò potrebbe essere dovuto a un cambiamento nel calcestruzzo, nella malta o nel materiale del condotto (forse passando da un manicotto metallico a uno non metallico).

I risultati di questo progetto sono promettenti per individuare con precisione i guasti dei condotti PT, identificando diversi casi problematici ma anche verificando l'integrità delle sezioni buone. In questo caso, sono state eseguite solo alcune istantanee in ogni sezione, ma è possibile eseguire una scansione a C dell'intera lunghezza del tendine tra i blocchi di deviazione se c'è una certa area di maggiore preoccupazione. Questa operazione richiede più tempo, ma se il dettaglio e il tracciamento della distanza sono importanti, può essere eseguita con lo stesso dispositivo e la stessa applicazione.

I test distruttivi sono stati eseguiti da UPE su punti che indicavano un alto grado di vuoti nei tendini. Il rapporto ufficiale non è ancora stato pubblicato, ma le prime notizie indicano che la presenza di vuoti è stata confermata in ogni punto.

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