Experimental Assessment of Welded Steel Bridges Durability by Infrared Thermography

Fatigue cracks in structural elements of metal bridges are quite frequent and difficult to predict at the design stage. To detect such cracks at the operation stage, as a rule, visual inspection of problem areas is used, and non-destructive testing methods, such as ultrasonic flaw detection and acoustic emission, are used less often. Recently, the method of revealing fatigue cracks has been actively developed, based on recording and analyzing the heat dissipated during deformation of the material. Such an approach to the determination of the most probable places for the appearance of fatigue cracks in welded structures of metal bridges by the method of infrared thermography is discussed in this article. The physical basis is the phenomenon of metal self-heating under static and cyclic loading, which arises from the development of local microplastic deformations in certain zones leading to a significant increase in the release of heat. The results of experimental laboratory studies of a sample with fatigue cracks are presented. As a sample, a bend beam was used on two supports with a pre-grown crack under cyclic loading. In the course of the experiment, the thermograms were recorded and stored at a frequency of 9 frames / sec, and thus the data were obtained of the temperature dependence of the temperature of the investigated surface versus time. To eliminate noise, we used the processing of the obtained thermograms with the help of the Mallat multiple-scale analysis mechanism and the DeBoshi-4 wavelet analysis function. To increase the accuracy of identifying areas with intense heat generation after removing noise, it is suggested to use the sum of the difference in the squares of the temperature values for each pixel of each thermogram (frame) from the complete recording of the cyclic loading process.

долговечность, металлические пролетные строения, усталостные трещины, инфракрасная термография, вейвлет-анализ, durability, steel bridge, fatigue cracks, infrared thermography, wavelet analysis

1. Березин И. Я., Чернявский О. Ф. Сопротивление материалов. Усталостное разрушение металлов и расчеты на прочность и долговечность при переменных напряжениях : учеб. пособие. Челябинск : Изд-во ЮУрГУ, 2003. 76 с.

2. Мальгин М. Г., Кирьян В. И., Дворецкий В. И. Расчет локальных напряжений в зонах сварных соединений крупногабаритных пространственных конструкций // Автоматическая сварка. 2012. № 4. С. 3-7.

3. Мальгин М. Г., Кирьян В. И. Расчет на усталость сварных узлов ортотропных плит металлических пролетных строений мостов по локальным напряжениям // Вкник Дншропетровського национального ушверситету залiзничного транспорту iменi академша В. Лазаряна. 2011. № 39. С. 91-97.

4. Корнеев М. М. Стальные мосты. Теоретическое и практическое пособие по проектированию мостов. Киев : Академпресс, 2010. Т. 1. 532 с.

5. WolchukR. Discussion of "Consistent Approach to Calculating Stresses for fatigue Design of Welded Rib-to-Web Connections in Steel Orthotropic Bridge Decks" by Robert J. Connor and John W. Fisher // Journal of bridge engineering ASCE. 2007. № 12 (6). Р. 811-815.

6. Шабанов А. П., Шакиртов М. М. О влиянии коэффициента асимметрии внешней нагрузки на характеристики цикла нагружения материала, расположенного в окрестности вершины трещиновидного дефекта // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2016. № 4. С. 12-18.

7. Вавилов В. П. Инфракрасная термография и тепловой контроль. М. : Спектр, 2009. 544 с.

8. Глушков С. П., Соловьев Л. Ю., Борисовская Н. Е. Выявление дефектов в усиленных композиционными материалами конструкциях методом инфракрасной термографии // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2015. № 4. С. 36-42.

9. Chatterjee K., Tuli S., Pickering S. G., AlmondD. P. A comparison of the pulsed, lock-in and frequency modulated thermography nondestructive evaluation techniques // NDT & E International. 2011. № 44 (7). Р. 655-667.

10. Thermographic crack detection by eddy current excitation / G. Zenzinger, J. Bamberg, W. Satzger, V. Carl // NDT & E International. 2007. № 22 (2-3). Р. 101-111.

11. Holland S. D. Thermographic signal reconstruction for vibrothermography // Infrared Physics & Technology. 2011. № 54 (6). P. 503-511.

12. Yun-Kyu A., Min K. J., Hoon S. Laser lock-in thermography for detection of surface-breaking fatigue cracks o nuncoated steel structures // NDT & E International. 2014. № 65. P. 54-63.

13. TSA based evaluation of fatigue crack propagation in steel bridge member / T. Sakagami, Y. Mizokami, D. Shiozawa, Y. Izumi // Procedia Structural Integrity. 2017. № 5. P. 1370-1376.

14. Sakagami T., Izumi Y., Kubo S. Application of infrared thermography to structural integrity evaluation of steel bridges // Journal of Modern Optics. 2010. Vol. 57, № 18. Р. 1738-1746.

15. Соловьев Л. Ю., Соловьев А. Л. Удаленный контроль усталостных трещин в металлических пролетных строениях мостов // Транспортная инфраструктура Сибирского региона : материалы Восьмой Междунар. науч.-практ. конф., 28 марта - 1 апреля 2017 г., Иркутск : в 2 т. Иркутск : ИрГУПС, 2017. Т. 1. С. 469-473.

16. Mallat S. G. A Theory for Multiresolution Signal Decomposition: The wavelet Representation // IEEE Transactions on pattern analisys and machine intelligence. 1989. Vol. II, № 7, July. Р. 674-693.

17. Gadaj S. P. Nowacki W. K., Pieczyska E. A. Investigation of temperature distribution during plastic deformation of stainless steel // QIRT 96 - Eurotherm Series 50. Pisa : Edizioni ETS, 1997. Р. 298-303.