Aplicación de la termografía infrarroja para la estimación de tensiones residuales en anclajes al suelo para mantenimiento.

Scientific Reports volumen 13, número de artículo: 36 (2023) Citar este artículo

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Caracterizar la integridad de los anclajes al suelo es esencial para examinar su utilidad en el mantenimiento de la estructura del suelo. Sin embargo, la prueba de despegue, que generalmente se utiliza para este propósito, tiene limitaciones cuando se aplica para cubrir todos los anclajes al suelo instalados. El objetivo de este estudio es evaluar la posibilidad de utilizar la termografía infrarroja para medir la tensión residual en anclajes al suelo como una técnica sin contacto que evita las desventajas asociadas a las técnicas existentes. Se realiza un experimento preliminar para determinar la emisividad exacta de los materiales probados. Se aplican métodos tanto pasivos como activos, como técnicas representativas de la termografía infrarroja. En el experimento a gran escala, se utilizan imágenes infrarrojas de cuatro hilos instalados con una tensión creciente en el rango de 0 a 400 kPa a intervalos de 100 kPa en el método de medición pasivo. Para el método activo, estos mismos rangos de tensión se aplican a una cabeza de anclaje calentada utilizando una máquina UTM. Los resultados del método pasivo muestran que la temperatura aumentó y disminuyó según los pasos de carga y descarga. Los valores para el índice de velocidad de enfriamiento se deducen a través de los resultados del método activo y se observa un comportamiento confiable a los 10 y 15 minutos. La cantidad de píxeles con grandes cambios de temperatura también cambió con el paso de carga tanto en el método pasivo como en el activo. Este estudio demuestra que la termografía infrarroja es un método alternativo adecuado para evaluar la tensión residual en anclajes al suelo como un tipo de técnica sin contacto.

Los anclajes al suelo brindan una alta capacidad de carga para estabilizar la estructura del suelo en construcciones en pendientes, y se requieren inspecciones periódicas para estimar el desempeño de los anclajes en deterioro y envejecimiento1,2. La prueba de despegue se usa generalmente para estimar la tensión residual de los anclajes3,4, en la que la cabeza del anclaje se extrae usando un gato hidráulico; sin embargo, este método tiene limitaciones en su aplicación ya que es costoso y requiere mucho tiempo5. Es imposible investigar todos los anclajes construidos en el mismo sitio y, por lo tanto, la tensión residual generalmente solo se evalúa en unos pocos anclajes mediante pruebas de muestreo. Se ha propuesto una técnica no destructiva para evaluar el desempeño de un número suficiente de anclajes. Zima y Rucka6 intentaron inspeccionar la caracterización de la tensión en longitudes fijadas de manera diferente de anclajes al suelo basándose en la transferencia de energía generada por onda guiada, donde la transferencia de energía es causada por un parámetro geométrico entre el tendón y el cuerpo del anclaje circundante. Tamrakar et al.7 utilizaron ondas ultrasónicas para deducir la tensión residual en anclajes al suelo y determinaron tanto la forma de onda como la amplitud máxima en la superficie de las placas de soporte. La relación generalizada entre la tensión de tracción y el valor medido se sugirió mediante experimentos de laboratorio y de campo. También se seleccionó la reflectometría en el dominio de la frecuencia para la caracterización de una varilla de anclaje enterrada en concreto bajo tierra, y este método también proporciona información sobre la ubicación deteriorada para el mantenimiento8. El método propuesto también es engorroso en cuanto a lograr el contacto del sensor con la cabeza de anclaje. Por lo tanto, es necesario desarrollar métodos de mantenimiento sin contacto. Este estudio evalúa la aplicación de la termografía infrarroja como técnica de mantenimiento para la estimación del nivel de tensiones en anclajes al suelo.

La termografía infrarroja (IRT) se utilizó inicialmente con fines militares9,10 y recientemente se ha utilizado en el campo de la ingeniería para determinar las características y defectos de los objetos11,12,13,14,15,16,17,18. El calor generado por un objeto depende de la radiación, la convección y la conducción, y entre éstas, la radiación tiene el mayor efecto en la difusión de la energía térmica19,20,21. La energía térmica la emiten todos los objetos con una temperatura superior a -273 °C (0 K) en longitudes de onda en el rango de 0,7 a 1000 μm. La TRI se utiliza para medir la energía térmica emitida por un objeto en determinadas condiciones, y la técnica termográfica se divide en métodos activos, híbridos y pasivos para experimentos y análisis22. El método activo mide la temperatura de un objeto en estado de calentamiento o enfriamiento a través de una fuente de calor artificial, y el método pasivo determina la distribución de temperatura de un objeto sin utilizar una fuente de calor adicional. Por lo tanto, el método activo es un método de análisis cuantitativo y las características del objeto pueden entenderse mediante la comparación relativa de los valores medidos. En el método pasivo, el análisis cualitativo se realiza después de reconocer previamente el estado anormal correspondiente a la temperatura23,24,25. Este artículo intenta derivar un método útil para evaluar el desempeño de los anclajes al suelo y considera métodos tanto activos como pasivos.

Este manuscrito comienza explicando el concepto de ingeniería que permite predecir tensiones residuales mediante la técnica IRT, y también se expresa la relación entre expansión térmica y tensión a través de un modelo matemático. Para sugerir un método razonable para evaluar la tensión residual del anclaje con IRT, se describen los procedimientos experimentales y los resultados de los métodos activos y pasivos. Con base en esto se explica el comportamiento de la tensión residual y la temperatura medidas mediante termografía infrarroja.

A medida que aumenta la temperatura de un objeto, el objeto emite más flujo térmico. El flujo térmico se define como la energía total radiada por unidad de superficie en el tiempo y recibe varios nombres, entre ellos irradiancia de cuerpo negro, densidad de flujo de energía, flujo radiante o potencia emisiva26,27,28. Según la ley de Stefan-Boltzmann, el flujo térmico (I) es función de la temperatura (T) y una constante proporcional (μ). Sin embargo, la fórmula para el flujo térmico se define como la ecuación. (1), que considera la cantidad absorbida y la energía emitida porque un objeto no absorbe todo el calor irradiado.

donde la constante de proporcionalidad de μ es el coeficiente de Stefan-Boltzmann 5,6704 × 10–8 W/m2 K, y ψ denota la emisividad, que es la relación entre la energía irradiada por un cuerpo negro y un objeto. La emisividad es teóricamente una unidad para un cuerpo negro, y el valor es menor que 1 en condiciones naturales29 porque se ve muy afectada por la estructura molecular y las características de la superficie del objeto objetivo. Si bien se sugiere una emisividad razonable según los materiales, es necesaria una prueba preliminar para estimar una emisividad que cumpla con las condiciones experimentales considerando la longitud de onda de la luz infrarroja y las características del aire en la atmósfera30.

La termoelasticidad representa la generación de energía térmica según el cambio de tensión (carga) de un objeto31,32. En teoría termodinámica, la tensión (σ) se define según la deformación (ε) y la temperatura (T) como la ecuación. (2), y se utiliza para estimar la tensión causada por el cambio térmico.

donde u es la energía interna por unidad de volumen, σij y εij son componentes de los tensores de tensión y deformación, T es la temperatura absoluta, s es la entropía. Con sólidos elásticos en condición adiabática, la ecuación. (3) se puede obtener:

donde ρ es la densidad, Cε es el calor específico para deformación constante, Cijkl es el tensor elástico, αkl es el tensor de expansión térmica. Entonces, suponiendo que Cijkl y αkl sean independientes de T, la primera ecuación se puede simplificar como:

Para materiales con expansión térmica isotrópica y módulo elástico. Podemos obtener la relación entre diferencia de temperatura y deformación:

donde Δεkk representa la suma de la deformación principal.

La IRT obtiene imágenes térmicas a través de la lente de una cámara térmica que recibe luz en el rango de longitud de onda infrarroja (0,7 a 1000 μm), como se muestra en la Fig. 1, y el tipo de cámara térmica varía según el rango de longitud de onda infrarroja33,34. En este estudio, se utilizó una cámara infrarroja de longitud de onda media (MWIR), que mide ondas térmicas en el rango de longitud de onda media (3 a 5 μm). Una cámara térmica mide la temperatura en la superficie de un objeto y el valor puede distorsionarse dependiendo de la emisividad de la superficie. En este estudio, el experimento para medir la emisividad del material SM45C, que es el mismo que se usa en los anclajes al suelo, se realizó de antemano para obtener un valor de temperatura confiable. Se utilizó la cámara termográfica fabricada por FLIR, la cual tiene una resolución de 240 × 180 píxeles con una sensibilidad térmica de 0,06 °C. Además, tiene una frecuencia de muestreo de 15 fps, lo que significa que puede medir 15 fotogramas por segundo.

Principio de la termografía infrarroja.

La emisividad se puede estimar a través de la energía radiada de un objeto como se muestra en la ecuación. (1); sin embargo, tiene limitaciones para obtener energía fácilmente. La emisividad se utiliza como valor de entrada al medir la imagen de temperatura del objeto y, por lo tanto, el valor se estima a través de la diferencia entre la imagen térmica medida y la temperatura real según el cambio del valor de entrada. La emisividad se cambió de 0,1 a 1,0 y se midió la imagen térmica. La cabeza del anclaje puede reflejar fácilmente la fuente de calor circundante ya que está hecha de un material de acero y es difícil medir con precisión el cambio de temperatura con una cámara térmica. Por lo tanto, se aplicó pintura mate (intensidad luminosa <2%) a la cabeza del anclaje para minimizar la reflexión del calor y luego se observaron las propiedades térmicas. La imagen térmica se midió mientras se elevaba la temperatura mediante una lámpara de infrarrojos sobre una placa de acero del mismo material que el cabezal del anclaje (SM45C) como se muestra en la Fig. 2. La capacidad de la lámpara de infrarrojos era de 250 W, y la distancia desde La placa de acero de la cámara termográfica se mantuvo a aproximadamente 0,3 m. La energía térmica se aplicó con una lámpara de infrarrojos durante 60 minutos hasta que la temperatura de la placa de acero convergió a un valor constante de 27,5 °C, considerando que la temperatura del laboratorio era de aproximadamente 20 °C. También se adjuntó el termómetro de contacto para medir la temperatura exacta de la placa de acero, y se infirió la emisividad mostrando una imagen térmica que se aproxima a la temperatura real. El ángulo de visión de la cámara infrarroja está configurado para medir toda la placa de acero. Además, la temperatura también se midió con un espesor creciente de la pintura mate a intervalos de 1 mm en el rango de 1 a 10 mm para determinar el efecto del espesor de la pintura aplicada sobre la emisividad.

Concepto experimental para deducir la emisividad de la cabeza del ancla: (a) ubicación del sensor; (b) medición.

El experimento a gran escala se realizó para examinar la relación entre la tensión residual y la temperatura según el método pasivo, y puede simular un asiento de tensión con una carga máxima de 800 kN como se muestra en la Fig. 3. La fuerza de tracción de 100 kPa puede ser se aplicó a un hilo (diámetro: 12,7 mm, 7 hilos) y, por tanto, se instalaron un total de 4 hilos; Como referencia, la tensión de diseño de un anclaje al suelo es generalmente de 400 kPa. La longitud del cordón se ajustó a 10 m teniendo en cuenta la longitud del asiento de tracción. La posición de medición térmica se fijó en el área de fijación donde está instalado el cabezal de anclaje y, por lo tanto, el dispositivo de soporte de carga se instaló en la dirección opuesta al área de fijación para evitar alteraciones en la medición de la temperatura. La fuerza de tracción se aplicó con un gato hidráulico (capacidad máxima: 1 MN) y la carga se revisó a través de una celda de carga (rango de medición máximo: 1 MN). El área de anclaje libre genera una fuerza de tracción al aplicar una carga, aunque la tensión de compresión se aplica a la cabeza del anclaje. La presión de carga y descarga varió en el rango de 0 a 400 kPa a intervalos de 100 kPa y se midió el cambio térmico. La duración de cada paso de carga fue de 5 min y el experimento se realizó durante un total de 45 min. La cámara termográfica se colocó a 0,3 m de distancia del cabezal del ancla y los datos se adquirieron a 15 fotogramas por segundo (15 fps). El cabezal del anclaje se fijó a una temperatura ambiente de 28,5 a 29 °C durante 24 h para medir de manera confiable la temperatura cuando la carga aplicada se convierte en energía térmica. La cabeza del anclaje utilizó el mismo modelo aplicado en el campo real, y el espesor, diámetro, área y módulo elástico fueron 43 mm, 108 mm, 0,0095 m2 y 2,06 × 1011 N/m2, respectivamente. El material de la cabeza del anclaje es SM45C, que comprende carbono, manganeso y silicio en 42–48%, 60–90% y 0,15–0,35%, respectivamente. Según KS D-375235, la carga elástica, la resistencia a la tracción y el alargamiento del SM45C son 490 N/mm2, 686 N/mm2 y 17% o más, respectivamente.

Esquema del experimento de termografía infrarroja a escala real del anclaje al suelo.

En el método activo, como se muestra en la Fig. 4, se aplicó calor artificial a la cabeza del anclaje para medir el cambio de temperatura según la carga. La cabeza del ancla se asentó en un termohigrostato con una temperatura de 80 °C durante 24 h para generar calor artificial. El experimento se diseñó para aplicar la fuerza de compresión a la cabeza del anclaje y, por lo tanto, se seleccionó la máquina de prueba universal (UTM) (capacidad máxima: 1 MN; capacidad mínima ajustable: 0,1 kN). La carga se ajustó en 5 pasos de 0, 100, 200, 300 y 400 kPa de la misma forma que para el método pasivo. Las mediciones se llevaron a cabo monitoreando la disminución de la temperatura durante aproximadamente 1 h hasta que la temperatura de la cabeza del anclaje calentada convergió a la temperatura del laboratorio (25–28 °C). Después de eso, se retiró la carga para examinar si hubo algún cambio de temperatura adicional durante 1 h. Se instaló caucho de baja conductividad térmica en la parte inferior del cabezal del anclaje para evitar la transferencia de temperatura generada por el hidráulico UTM al cabezal del anclaje. La cámara termográfica se enfocó en la parte frontal de la cabeza del ancla a una distancia de 0,3 m y los datos se adquirieron a 15 fotogramas por segundo. El método activo mide la tendencia de enfriamiento de la cabeza del anclaje calentada artificialmente según la carga, y se omitió el paso de descarga porque limitaba la simulación de las condiciones de descarga. La cabeza del ancla utilizó el mismo modelo seleccionado en el método pasivo.

Descripción esquemática para realizar el método activo utilizando un cabezal de anclaje calentado y una máquina de prueba universal (UTM).

La Figura 5a muestra el diagrama de caja de la variación de temperatura medida por la cámara termográfica mientras cambia la emisividad, y la temperatura disminuye de manera no lineal a medida que aumenta la emisividad. Los rangos del diagrama de caja son relativamente grandes en una emisividad pequeña de 0,1 y convergieron en un valor similar de alrededor de 0,9 en emisividad. La emisividad se incrementó en incrementos de 0,1 en el rango de 0,1 a 0,9, y se aumentó en intervalos de 0,01 en el rango de 0,9 a 1,0 considerando que la emisividad de la pintura típica es de alrededor de 0,914,15. Cuando la emisividad era 0,1, la temperatura promedio medida se registró hasta aproximadamente 205 °C, que es significativamente diferente de la temperatura real de 50 °C medida con un termómetro de contacto. La diferencia entre la temperatura medida por la cámara termográfica y el termómetro de contacto disminuye a medida que aumenta la emisividad. La brecha promedio muestra 0,45 °C en el rango de 0,96 a 1,00 de emisividad, lo que indica una confiabilidad excelente. Se infirió que la emisividad de la pintura mate era de 0,96 a 1,00, y en este estudio se utilizó el valor promedio de 0,98 como emisividad de la cabeza del anclaje. Además, la variación de temperatura según el espesor de la pintura se muestra en la Fig. 5b, y la emisividad determinada previamente de 0,98 se utilizó como valor de entrada. Tenga en cuenta que la temperatura medida por la cámara termográfica muestra un valor constante de 50 °C en promedio, independientemente del espesor. La temperatura medida es casi similar al valor real y el espesor de la pintura mate tiene poco efecto en la imagen térmica.

Distribuciones de emisividad deducidas para (a) comparación de valores medidos usando termómetro versus termografía infrarroja; (b) varios espesores de pintura mate.

La imagen térmica medida por el método pasivo se muestra en la Fig. 6, y la imagen está compuesta por 12,600 cuadrículas considerando la resolución (240 × 180 píxeles) de la cámara termográfica utilizada para observar las características detalladas. Las imágenes están dispuestas en 0 y 5 min para los tiempos de estrés inicial y final correspondientes al intervalo de tiempo de 5 min. El rango de temperatura medido fue de 33,0 a 36,5 °C y la cabeza del anclaje estaba marcada en blanco para distinguirla de la placa de soporte. Se midió una temperatura relativamente alta en el lugar del torón con la aplicación de carga, y la temperatura disminuyó en el mismo lugar durante la etapa de descarga. Los cambios de temperatura en la cabeza del anclaje según las cargas se promediaron cuantitativamente y los resultados se muestran en la Fig. 7. El valor promedio se desvió ligeramente incluso bajo la misma carga, aunque la temperatura aumentó ≈ 1 °C a 300 kPa en comparación con la temperatura inicial de 34°C. En el último paso de 400 kPa, la diferencia de temperatura con respecto a 300 kPa es un promedio de 0,03 °C, lo que muestra que el aumento de temperatura es menor. En el paso de 300 a 400 kPa, se considera que el cambio de temperatura es bajo porque la fuerza de tensión del gato hidráulico no se transfiere suficientemente al cabezal del anclaje. En la etapa de descarga, la temperatura medida en general disminuyó, siendo la temperatura final de 33,3 °C, similar a la temperatura inicial. La razón por la que la temperatura aumenta y disminuye durante los pasos de carga y descarga es que la tensión mecánica se convierte en tensión térmica según la teoría termodinámica, como se muestra en la ecuación. (2).

Imagen térmica medida por termografía infrarroja en el método pasivo.

Cambio de temperatura promedio versus tiempo transcurrido en cada paso de carga en el método pasivo.

Los datos medidos con el método activo se tomaron imágenes de la misma manera que con el método pasivo, y los resultados se recopilaron en tiempos transcurridos de 0, 5, 10, 15, 20, 30, 60, 90 y 120 min. Los valores medidos a los 0 minutos estaban en el rango de 69 a 80 °C porque se calienta con una cámara termohigrostato y la temperatura se reduce rápidamente a 29 a 35 °C, que es aproximadamente 45 °C del valor de cambio. a los 30min. Además, la temperatura converge a aproximadamente 24 °C, que es similar a la temperatura del laboratorio, después de 60 minutos con la eliminación de la carga a 0 kPa. Se observa que el efecto del cambio de temperatura en la descarga fue insignificante. Las temperaturas en 9600 rejillas en la Fig. 8 se promediaron cuantitativamente y se representaron como se muestra en la Fig. 9. La temperatura medida en la cabeza del anclaje muestra una tendencia no lineal, con variación en la pendiente dependiendo de la carga aplicada. La cabeza del ancla calentada a 0 kPa mostró un cambio de temperatura relativamente más lento que otras cargas durante 30 min, y la temperatura disminuyó continuamente incluso después de 60 min. Por otro lado, la cabeza del ancla cargada con 100, 200, 300 y 400 kPa muestra que la temperatura disminuyó rápidamente hasta aproximadamente 10 minutos, y luego la temperatura convergió a un valor constante. La Figura 9 muestra la tendencia del cambio de temperatura durante el tiempo transcurrido, aunque se limita a determinar el diferente comportamiento según cada carga. La variación de las pendientes significa que las velocidades de enfriamiento difieren y es necesario un análisis detallado. Por lo tanto, el contenido se explica específicamente en la sección de discusión.

Imagen térmica medida mediante termografía infrarroja en el método activo.

Cambio de temperatura promedio versus tiempo transcurrido en cada paso de carga en el método activo.

Las temperaturas máxima, mínima y promedio extraídas de la Fig. 6 se demuestran en la Fig. 10 según el tiempo transcurrido. Tenga en cuenta que la temperatura durante 5 minutos fluctúa incluso con la misma carga. Los valores máximo y mínimo se seleccionaron según la carga para examinar todo el rango de temperatura medida. Las temperaturas máximas se estimaron en 34,9, 35,8, 36,4, 36,5, 36,7, 36,2, 35,2, 36,3 y 34,5 °C para 0, 100, 200, 300, 400 (carga), 300, 200, 100 y 0 kPa ( descarga). Las temperaturas más bajas entre los valores mínimos fueron seleccionadas como 33.2, 33.5, 33.6, 33.7, 33.7, 33.2, 33.3, 33.2 y 32.9 °C según el orden de carga y descarga, respectivamente. Los cambios de temperatura de los valores máximo y mínimo se calcularon en 0,45 y 0,12 °C en promedio, respectivamente, en la etapa de carga. La etapa de descarga también muestra valores similares de 0,55 y 0,20 °C en promedio para los valores máximo y mínimo, respectivamente. Aunque el cambio de temperatura fue relativamente pequeño, alrededor de 300 a 400 kPa, se puede ver que se producen cambios de temperatura razonables según los pasos de carga y descarga.

Distribución de la temperatura medida en el método pasivo: (a) temperaturas máxima, mínima y promedio; (b) diferencia de temperatura según cada carga.

La temperatura teóricamente calculada usando la Ec. (5) se muestra en color rojo en la Fig. 10a, que se utiliza para verificar la confiabilidad de la temperatura medida. Se utilizó el volumen inicial y la capacidad térmica de 393,72 cm3 y 0,486 J/K36, respectivamente. La temperatura refleja la temperatura calculada para cada carga. La deformación se calculó utilizando el módulo elástico (2,06 × 1011 N/m2) de la cabeza del anclaje y se dedujo un coeficiente de tensión térmica de 0,06 K considerando la temperatura medida. La temperatura teóricamente calculada se sitúa cerca del valor medio, y la tendencia aumenta y disminuye en función de los pasos de carga y descarga. Tenga en cuenta que la temperatura medida por la imagen térmica es confiable y que la tensión residual de la cabeza del anclaje se puede estimar utilizando el método pasivo.

La diferencia de temperatura máxima y mínima para cada carga se muestra en la Fig. 10b para observar el cambio en la temperatura medida de acuerdo con la tensión residual. La diferencia máxima de temperatura se calcula en 1,9 °C cuando se descarga de 400 a 300 kPa. La diferencia mínima de temperatura es de aproximadamente 0,05 °C con condiciones de carga de 200 y 400 kPa y condiciones de descarga de 200 y 100 kPa. Tenga en cuenta que la carga se transmite de manera diferente para cada ubicación, y este estudio se centró en las áreas de carga altamente propagadas. La posición del mayor cambio de temperatura está indicada por un cuadro blanco en la Fig. 11, y el cuadro apareció alrededor del hilo al que se aplicó directamente la fuerza de compresión. Aunque el cambio de temperatura se observó únicamente en el cordón superior cuando la carga aplicada fue de 100 kPa, la ampliación de la caja blanca a los cordones superior e inferior muestra una carga creciente. Por lo tanto, el número de píxeles fue de 123 a 100 kPa y el área de píxeles aumentó en 1251 (arriba: 689, abajo: 562) a 400 kPa. Se observa un comportamiento similar para las condiciones de descarga, aunque se observó un cambio de temperatura relativamente grande en 80 píxeles debido a la tensión residual incluso cuando todas las cargas se descargaron a 0 kPa. Tenga en cuenta que la carga inicial actúa intensamente sobre una parte del torón como una carga concentrada, y la carga cambia a una carga distribuida en la parte frontal de la cabeza del anclaje con una carga creciente. Además, se considera que la carga se disipa durante la descarga, y también se reduce la zona afectada. La ubicación donde se instala el torón también se proporciona en los resultados, que muestran una mejor predicción del cambio de carga utilizando el método pasivo.

Imágenes térmicas medidas por el método pasivo. El cuadro blanco indica el área de variación significativa.

Para analizar cuantitativamente la pendiente del gráfico tiempo-temperatura en los resultados del método activo, el índice de velocidad de enfriamiento (CRI) se derivó como la relación del cambio de temperatura (ΔTanchor) por unidad de tiempo (Δt) en la ecuación. (6)37,38.

La unidad de tiempo se estableció en 5, 10, 15, 20 y 30 minutos para examinar las distribuciones del CRI para distinguir los valores de cada carga. Se demuestra que la curva del CRI calculado tiene una distribución normal, como se muestra en la Fig. 12, y también se indican los rangos del CRI máximo y mínimo. El CRI5 calculado para 5 min muestra una gran área de superposición de cada curva y es difícil separar la carga con CRI5. Sin embargo, se produjo un cambio de temperatura menor con la carga aplicada en CRI10, CRI15, CRI20 y CRI30. La carga distribuida generalmente se aplica en la cabeza del anclaje cuando se aumenta la carga, como se muestra en los resultados del método pasivo con área de píxeles expandida. Esto está relacionado con la frecuencia de la curva de distribución normal y, por lo tanto, el valor máximo de la curva de distribución normal debe ser mayor a medida que aumenta la carga. CRI10 y CRI15 satisfacen las condiciones y, por lo tanto, se demuestra que los resultados de CRI10 y CRI15 son los mejores para el método activo. Además, se debe minimizar el área de superposición de cada CRI para predecir la carga adecuada. El CRI10 y el CRI15 se distribuyeron en el rango de cuantiles de 20 a 80 %, y los valores se resumen en la Tabla 1. Los valores de cuantiles de 30 a 70 % muestran áreas de superposición relativamente pequeñas en CRI10 y CRI15, que se indican en verde y rojo. , respectivamente. Aunque CRI10 mostró una ligera superposición en los datos entre 200 y 300 kPa para la tensión residual, no hay regiones superpuestas para las cargas restantes en CRI10 y CRI15. Por lo tanto, el CRI10 y el CRI15 pueden proporcionar estimaciones razonables de la tensión residual con un intervalo de confianza del 30 al 70% utilizando el método activo. El CRI10 y el CRI15 correspondientes al intervalo de confianza se representan en la Fig. 13 y los valores promedio se muestran como una línea. Aunque la relación de cambio en el CRI para cada carga es diferente, es posible clasificar la carga ajustando el intervalo de confianza con CRI10 y CRI15 como se describió anteriormente. La ubicación del píxel que muestra la diferencia máxima de temperatura según CRI10 y CRI15 se demuestra en la Fig. 14, analizada con un intervalo de confianza del 30 al 70%. La posición donde la relación de cambio de temperatura es alta se centra en el centro de la cabeza del anclaje, donde la máquina UTM aplicó la carga. Tanto CRI10 como CRI15 muestran que el número de píxeles de diferencia de temperatura aumentó a 190% y 210%, respectivamente, junto con una carga creciente de 100 a 400 kPa.

Índice de velocidad de enfriamiento (CRI) convertido basado en el método activo con intervalos de tiempo de (a) 5 min; (b) 10 minutos; (c) 15 minutos; (d) 20 minutos; (d) 30 min.

Diagramas de caja de CRI10 y CRI15 basados en cuartiles.

Imágenes térmicas medidas por el método activo mediante: (a) CRI10; (b) IRC15. El cuadro negro indica el área de variación significativa.

Este estudio se realizó para deducir la tensión residual en anclajes al suelo mediante termografía infrarroja. Se aplicaron métodos tanto pasivos como activos para determinar la relación entre la tensión residual y la temperatura de la cabeza del anclaje. Las conclusiones detalladas son las siguientes.

Se aplicó un método pasivo para obtener la temperatura de la cabeza del anclaje en un experimento a gran escala. El IRT registrado muestra que la temperatura aumenta y disminuye con los procedimientos de carga y descarga.

Se utilizó una fuente de calor artificial para simular el método activo y la temperatura medida se convirtió en un índice de velocidad de enfriamiento según cada carga. Se ha demostrado que los intervalos de 10 y 15 min (CRI10 y CRI15) son intervalos de tiempo razonables para deducir la tensión residual.

El número de píxeles aumenta cuando se aplica carga tanto en el método pasivo como en el activo porque la tensión se convierte en tensión térmica según la teoría termodinámica. Tenga en cuenta que este estudio muestra que la técnica IRT puede proporcionar tensión residual para estimar la integridad de los anclajes al suelo.

Los conjuntos de datos utilizados y/o analizados durante el estudio actual están disponibles del autor correspondiente previa solicitud razonable.

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Esta investigación fue apoyada por el Programa de Investigación en Ciencias Básicas a través de la Fundación Nacional de Investigación de Corea (NRF) financiada por el Ministerio de Educación (NRF-2020R1A2C2012113).

Departamento de Ingeniería de Construcción y Prevención de Desastres, Universidad de Daejeon, Daejeon, 34520, Corea

Dae Hong Min, Byeong Su Jang y Hyung Koo Yoon

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D.-HM, datos gestionados por BJ y datos de análisis de H.-KY. Todos los autores revisaron el manuscrito de la versión final.

Correspondencia a Hyung-Koo Yoon.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Min, DH., Jang, Bs. y Yoon, HK. Aplicación de la termografía infrarroja para la estimación de tensiones residuales en anclajes al suelo para mantenimiento. Representante científico 13, 36 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-022-27222-7

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Recibido: 27 de mayo de 2022

Aceptado: 28 de diciembre de 2022

Publicado: 02 de enero de 2023

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

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