Bu çalışma, betonun basınç altında hasar görürken mikroçatlak başlangıcından kararsız çatlak gelişimine ve nihai göçmeye kadar geçtiği kritik evreleri daha erken ve daha nesnel biçimde tespit etmek için akustik emisyon verilerine Critical Slowing Down (CSD) yaklaşımını uygulamaktadır.

Araştırmada akustik emisyon enerjisi, AE counts ve sinyal şiddeti temel hasar göstergeleri olarak seçilmiştir. Bu sinyallerin ardışık zaman pencerelerindeki hareketli varyansı hesaplanmakta ve varyansta meydana gelen ani yükselişler sistemin kritik hasar geçişlerine yaklaştığının göstergesi olarak yorumlanmaktadır.

150 mm beton küpler üzerinde üç farklı su/bağlayıcı oranında gerçekleştirilen tek eksenli basınç deneylerinde CSD tabanlı varyans göstergesi mikroçatlak başlangıcı, subkritik kırılma ve göçme geçişlerini ayırt etmiştir. Özellikle subkritik kırılma noktası üç karışımda yaklaşık %76–85 tepe gerilmesi aralığında ortaya çıkmış ve kaynak bunu yaklaşık %80 tepe gerilmesi çevresinde güvenilir bir erken uyarı göstergesi olarak değerlendirmiştir.

Minimum AE b-value ile karşılaştırıldığında CSD tabanlı subkritik kırılma göstergesi daha erken uyarı vermiştir. Üç karışım için CSD uyarı aralıkları 60, 63 ve 71 saniyeyken minimum b-value uyarıları yalnız 23, 28 ve 6 saniye önce gerçekleşmiştir.

Bununla birlikte çalışma küçük beton küpler üzerinde tek eksenli laboratuvar deneyine dayanmaktadır. Tam ölçekli köprü, bina, tünel veya saha yapılarında aynı eşik ve uyarı sürelerinin geçerli olduğu henüz gösterilmemiştir.

Akustik Emisyon Beton İçindeki Çatlakları Nasıl Algılar?

Beton içinde yeni bir çatlak oluştuğunda veya mevcut çatlak ilerlediğinde malzemede depolanmış elastik enerjinin bir bölümü kısa süreli gerilme dalgaları halinde açığa çıkar. Bu dalgalar piezoelektrik akustik emisyon sensörleriyle algılanabilir.

AE sistemi bu sinyali yalnız tek bir “ses seviyesi” şeklinde kaydetmez. Bir AE olayından çok sayıda karakteristik parametre çıkarılabilir.

Çalışma bunların içinden enerji, counts ve signal strength parametrelerini seçmektedir. Bunun nedeni bu üç göstergenin çatlak aktivitesinin ölçeği, sıklığı ve toplam enerji içeriğini farklı açılardan temsil etmesidir.

Critical Slowing Down Nedir?

Critical Slowing Down, dinamik bir sistem kritik bir durum değişimine yaklaştığında bozuculardan sonra eski denge durumuna dönüş hızının giderek yavaşlamasıdır.

Sistem kararlı durumdan uzaklaşmaya başladığında küçük rastgele değişimler daha uzun süre etkili olur. Teoride bunun iki tipik istatistiksel sonucu vardır:

• ardışık ölçümlerin birbirine daha fazla benzemesi, yani otokorelasyonun yükselmesi;
• ölçülen durum değişkeninin dalgalanma büyüklüğünün ve varyansının artması.

Beton açısından fikir şudur: çatlak sistemi yeni bir hasar rejimine yaklaşırken AE sinyallerinin istatistiksel davranışı değişebilir. Eğer AE enerji, counts veya signal strength varyansı hızlı biçimde yükseliyorsa sistem kritik bir hasar geçişine yaklaşıyor olabilir.

Çalışma hangi CSD göstergesini kullanıyor?

Kuramsal bölüm hem otokorelasyon hem varyansı tartışsa da deneysel analizde temel gösterge hareketli varyanstır.

AE zaman serisi kısa pencerelere ayrılır ve her pencere içinde varyans hesaplanır. Pencere zaman boyunca kaydırılarak varyansın yükleme boyunca nasıl değiştiği izlenir.

Çalışmada:

Pencere uzunluğu = 100 AE hit

Kaydırma adımı = 10 AE hit

olarak seçilmiştir.

Beton Numuneleri Nasıl Hazırlandı?

Deneylerde 150 mm kenar uzunluğuna sahip küp beton numuneler kullanılmıştır.

Üç farklı su/bağlayıcı oranı uygulanmıştır:

Her karışım için üç tekrar hazırlanmıştır.

Deneyde Beton Nasıl Yüklendi ve AE Nasıl Ölçüldü?

Tek eksenli basınç yüklemesi RMT-201 kaya ve beton mekanik test sisteminde deplasman kontrollü olarak gerçekleştirilmiştir.

AE ve mekanik ölçümler eş zamanlı başlatılmıştır. Böylece belirli bir çatlak aktivitesinin hangi gerilme düzeyinde oluştuğu zaman açısından doğrudan karşılaştırılabilmiştir.

Çalışmanın Yöntemi ve Bulguları

CSD Yöntemi Beton Hasarını Hangi Kritik Noktalara Ayırdı?

Deneysel sonuçlarda üç temel geçiş noktası özellikle öne çıkmaktadır:

Point A — Mikroçatlak başlangıcı

İlk belirgin varyans yükselişi. Betonun ilk gözenek sıkışması ve düşük AE aktivitesinden kararlı çatlak ilerlemesine geçtiği nokta olarak yorumlanır.

Point C — Subkritik kırılma

İkinci kritik varyans yükselişi. Kararlı çatlak ilerlemesinin kararsız çatlak büyümesine dönüştüğü nokta olarak değerlendirilir.

Point E — Göçme

Taşıma kapasitesinin önemli ölçüde kaybolduğu ve makroskopik hasarın belirgin hale geldiği geçiştir.

Mikroçatlak başlangıcı neden karışıma daha duyarlı?

Su/bağlayıcı oranı yükseldikçe kaynakta mikroçatlak başlangıç noktasının hem zamanı hem gerilme oranı artmaktadır.

Yazarların açıklamasına göre daha yüksek su içeriği hidratasyon sonrasında daha fazla gözenek ve başlangıç kusuru bırakabilir. Yüklemenin ilk bölümünde bu boşlukların sıkışması daha uzun sürdüğü için belirgin mikroçatlak başlangıcı daha yüksek gerilme düzeyine kayabilir.

Point C neden daha önemli?

Point A ilk mikrohasarı gösterirken Point C kararlı çatlak gelişiminden kararsız kırılma rejimine geçişi temsil etmektedir.

Bu nedenle erken uyarı açısından esas kritik nokta Point C'dir.

Üç karışımın Point C oranları yaklaşık %76–85 aralığındadır. Kaynak bunun yaklaşık %80 tepe gerilmesi civarında tekrarlayan bir erken uyarı eşiği olduğunu savunmaktadır.

Beton Kaç Hasar Evresine Ayrılıyor?

Kaynağın deneysel sonuç ve sonuç bölümünde kullanılan ana dört evre şöyledir:

Makalenin daha önceki teorik yöntem bölümünde ise beş evreli daha ayrıntılı bir sınıflandırma bulunmaktadır. Bu nedenle kaynakta evre sayısı açısından iki farklı anlatım vardır. Deneysel sonuçların nihai özeti dört ana evreyi esas almaktadır.

Ham AE Parametrelerine Bakmak Neden Yeterli Değil?

Enerji, counts ve signal strength zaman geçmişlerinde beton göçmeye yaklaştıkça genel olarak artan aktivite görülmektedir. Ancak AE sinyalleri doğası gereği kesikli ve rastgele dalgalanmalar içerir.

Bu nedenle yalnız ham eğrinin görsel olarak incelenmesi kritik geçişlerin hangi anda başladığını belirlemede öznel olabilir.

CSD yöntemi aynı veriyi hareketli varyans üzerinden yeniden değerlendirerek ani dağılım değişimlerini daha belirgin hale getirmeyi amaçlamaktadır.

Kaynağın karşılaştırmasına göre mikroçatlak başlangıcı ve nihai göçme ham AE parametrelerinden de görülebilirken, subkritik kırılma Point C geleneksel parametre zaman serilerinde çok daha zor ayırt edilmektedir.

b-Value ile CSD Yöntemi Arasındaki Fark Nedir?

AE b-value analizi, AE olaylarının genlik dağılımını Gutenberg–Richter benzeri log-lineer ilişki üzerinden inceler.

Yüksek b-value küçük çatlakların daha baskın olduğu dağılımlarla, düşük b-value ise büyük ölçekli çatlak aktivitesinin artmasıyla ilişkilendirilebilir.

Çalışmada b-value başlangıçta yükselmiş, daha sonra hızlı biçimde düşerek minimuma ulaşmış ve göçme sonrasında yaklaşık 1 civarında dalgalanmıştır.

Minimum değerler üç grup için:

0,20 — 0,19 — 0,41

olarak raporlanmıştır.

Fakat minimum b-value, CSD ile belirlenen Point C'den daha sonra oluşmaktadır.

CSD Erken Uyarıyı Ne Kadar Öne Çekti?

Bu değerler uyarı noktasından tepe gerilmesine kadar kalan süreyi ifade etmektedir.

Özellikle RW/B=0,50 grubunda minimum b-value yalnız 6 saniye erken sinyal verirken Point C 71 saniyelik erken uyarı aralığı sağlamıştır.

Uyarı hangi yük düzeyinde geliyor?

Point C için kaynakta ortalama:

Uyarı gerilmesi / tepe gerilmesi ≈ %80,85

verilir.

Minimum b-value için bu oran:

≈ %97,02

seviyesindedir.

Dolayısıyla b-value minimumu oluştuğunda beton tepe kapasitesine çok daha fazla yaklaşmış durumdadır.

Bu Yöntem Gerçek Bir Köprü veya Binada Kullanılabilir mi?

Kaynak bunun potansiyel olduğunu söylemektedir; henüz doğrulanmış saha uygulaması değildir.

Bu çalışmada:

• küçük beton küpler;
• kontrollü tek eksenli yük;
• laboratuvar sensör yerleşimi;
• belirli beton karışımları

kullanılmıştır.

Gerçek yapılarda trafik, sıcaklık, nem, çok eksenli gerilme, donatı, farklı çatlak kaynakları ve çevresel gürültü AE sinyallerini daha karmaşık hale getirebilir.

Yazarların da gelecek çalışma hedefi tam ölçekli yapılarda ve farklı yükleme koşullarında doğrulamadır.

Çalışmanın desteklediği sonuçlar

• AE enerji, counts ve signal strength varyansı beton kritik hasar geçişlerine yaklaşırken belirgin biçimde değişebilir.
• Kayan pencere varyans analizi kritik geçişleri ham AE zaman serilerine göre daha sistematik biçimde görünür hale getirebilir.
• Mikroçatlak başlangıcı, subkritik kırılma ve göçme noktaları deneylerde ayrıştırılmıştır.
• Subkritik kırılma Point C üç karışımda yaklaşık %76–85 tepe gerilmesi aralığında ortaya çıkmıştır.
• Point C minimum b-value göstergesinden daha erken uyarı sağlamıştır.
• CSD ile belirlenen hasar evreleri klasik AE parametreleri ve b-value eğilimleriyle genel olarak uyumludur.

Çalışmanın desteklemediği sonuçlar

• %80 tepe gerilmesinin bütün betonlar için evrensel göçme eşiği olduğu gösterilmemiştir.
• 60–71 saniyelik uyarı süresinin gerçek yapılarda aynen elde edileceği gösterilmemiştir.
• CSD yönteminin köprü, bina veya tünellerde saha ölçeğinde doğrulandığı söylenemez.
• b-value yönteminin genel olarak kullanışsız olduğu gösterilmemiştir; çalışma yalnız bu deneylerde CSD'nin daha erken uyarı verdiğini göstermektedir.
• Varyans artışının her koşulda yalnız beton çatlak gelişiminden kaynaklanacağı gösterilmemiştir.
• Makale hakem değerlendirmesinden geçmiş nihai yöntem standardı değildir.

Kaynak ve Yöntem Notu

Özgün başlık:Damage Evolution Analysis of Concrete Based on Critical Slowing Down Characteristic of Acoustic Emission Parameters.

Yazarlar: Jian Liang, Yuxuan Shi, Qian Ma, Weiwei Xie, Bo Yu.

Kaynak türü: SSRN preprint araştırma makalesi.

SSRN: 6963435.

Hakemlik durumu: PDF açık biçimde “Preprint not peer reviewed” olarak işaretlenmiştir.

Çalışma alanı: Beton hasar mekaniği, akustik emisyon, tahribatsız muayene ve yapısal sağlık izleme.

Deney numunesi: 150 mm beton küpler.

Karışımlar: Su/bağlayıcı oranları 0,40, 0,45 ve 0,50; her biri için üç tekrar.

Yükleme: Tek eksenli basınç, deplasman kontrollü, 0,005 mm/s.

AE kayıt sistemi: Physical Acoustics Corporation Micro-II Digital AE System.

Örnekleme: 1 MHz.

Algılama eşiği: 45 dB.

Analiz edilen AE parametreleri: Energy, counts ve signal strength.

CSD ölçütü: 100-hit pencere ve 10-hit kaydırma adımıyla hesaplanan hareketli varyans.

Ana erken uyarı göstergesi: Point C — subkritik kırılma.

Point C gerilme oranları: %75,76, %85,18 ve %81,59.

CSD erken uyarı aralıkları: 60, 63 ve 71 saniye.

Minimum b-value erken uyarı aralıkları: 23, 28 ve 6 saniye.

Kaynak içi yöntem notu: Teorik metodoloji bölümünde beş hasar evresi açıklanırken deneysel sonuçlar ve Conclusion bölümünde dört ana hasar evresi kullanılmaktadır. Verianla bu iki anlatımı sessizce tek sınıflandırmaya dönüştürmemiştir.

Gelecek çalışma: Tam ölçekli yapılar, farklı yükleme koşulları ve diğer tahribatsız muayene teknikleriyle entegrasyon.

Çıkar çatışması: Yazarlar bilinen mali veya kişisel çıkar çatışması bildirmemektedir.

Veri erişimi: Bazı veya tüm veri, model ve kodların makul talep üzerine sorumlu yazardan temin edilebileceği belirtilmiştir.

Finansman: Inner Mongolia University of Science and Technology Keju Plan; National Natural Science Foundation of China; Guangxi Key Research and Development Project; Guangxi Science and Technology Major Project.

Lisans: Yüklenen preprint üzerinde doğrulanabilir açık Creative Commons lisansı görünmediğinden açık yeniden kullanım hakkı varsayılmamıştır.

Verianla yöntem notu: Bu içerik kaynak preprintin paragraf-paragraf çevirisi değildir. CSD teorisi, deney düzeni, AE parametreleri, kritik geçiş noktaları, erken uyarı performansı, b-value karşılaştırması ve sınırlılıklar bağımsız öğretici yapı içinde yeniden düzenlenmiştir. Laboratuvar sonuçları gerçek saha yapılarında doğrulanmış evrensel eşikler gibi sunulmamıştır.