Η παρούσα μεταπτυχιακή διπλωματική εργασία εκπονήθηκε στα πλαίσια του Διατμηματικού Προγράμματος Μεταπτυχιακών Σπουδών «Σχεδιασμός και Κατασκευή Υπόγειων Έργων» του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου, κατά το ακαδημαϊκό έτος 2012-2013 με θέμα «Θραύση φυσικών μοντέλων ψαθυρών υλικών με οπή υπό μονοαξονική θλίψη». Στην εργασία αυτή, εξετάζεται ο τρόπος θραύσης φυσικών μοντέλων που διαθέτουν κυκλική οπή στο κέντρο και υπόκεινται σε μονοαξονική θλίψη παράλληλα με τη χρήση ακουστικής εκπομπής και μετρητών παραμόρφωσης (strain gauges). Με τον τρόπο αυτό, γίνεται κατανοητή η αστοχία γύρω από υπόγεια κυκλικά ανοίγματα των ψαθυρών βραχών κάτω από θλιπτικό φορτίο. Παράλληλα, φωτογραφίζοντας το δοκίμιο ανά τακτά χρονικά διαστήματα κατά τη φόρτισή του, θα δοκιμαστεί ο υπολογισμός της παραμόρφωσης που υφίσταται το υλικό μέσω συσχέτισης των ψηφιακών εικόνων και θα συγκριθεί με τα αποτελέσματα των μετρητών παραμόρφωσης. Το πρώτο κεφάλαιο περιλαμβάνει τα θεωρητικά στοιχεία γύρω από τη θραύση, καθώς μελέτες από προηγούμενους ερευνητές. Η αστοχία των πετρωμάτων χαρακτηρίζεται από πολλά διακριτά στάδια παραμόρφωσης που περιλαμβάνουν έναρξη, διάδοση και συνένωση ρωγμών. Στο παρελθόν έχουν γίνει εκτεταμένες έρευνες θεωρητικές, πρακτικές και αριθμητικές για την διαδικασία θραύσης στα πετρώματα. Το δεύτερο κεφάλαιο περιλαμβάνει το θεωρητικό υπόβαθρο γύρω από την μέθοδο της ακουστικής εκπομπής. Η εκπομπή των υπερήχων από τα πετρώματα όταν αυτά βρίσκονται υπό δυναμική καταπόνηση, έχει διερευνηθεί αρκετά στο παρελθόν για την μελέτη θεμελιωδών μηχανισμών της μηχανικής συμπεριφοράς των πετρωμάτων και την πρόβλεψη της θραύσης. Η ακουστική εκπομπή βοηθάει στην επισήμανση μείζονος ή ήσσονος σημασίας γεγονότων καθόλη τη διάρκεια της φόρτισης, η ερμηνεία των οποίων βοηθούν στην αξιολόγηση της θραύσης. Στο τρίτο κεφάλαιο περιγράφεται η μέθοδος συσχέτισης ψηφιακών εικόνων (Digital Image Correlation) με σκοπό τον προσδιορισμό των παραμορφώσεων, που θα γίνει σε δεύτερη φάση. Η μέθοδος αυτή, είναι ευρέως γνωστή και έχει αναπτυχθεί περισσότερο τα τελευταία χρόνια με την εξέλιξη των υπολογιστικών προγραμμάτων και των ψηφιακών μηχανών. Αυτό που ουσιαστικά γίνεται είναι η λήψη φωτογραφιών με ψηφιακή μηχανή DSLR του δοκιμίου κατά τη διάρκεια της φόρτισής του, αφού πρώτα έχει τοποθετηθεί πάνω σε αυτό ένα διακριτό μοτίβο, και η συσχέτιση των εικόνων αυτών με μια εικόνα αναφοράς πριν την έναρξη της δοκιμής. Στην παρούσα εργασία, για τη συσχέτιση των ψηφιακών εικόνων χρησιμοποιήθηκε 4 αλγόριθμος κωδικοποιημένος στο πρόγραμμα MATLAB που διατίθεται ελεύθερα. Αξίζει επίσης να σημειωθεί, ότι η μέθοδος αυτή απευθύνεται κυρίως σε όλκιμα υλικά που επιδέχονται μεγάλες παραμορφώσεις. Σε πιο ψαθυρά υλικά, όπως αυτά που θα εξεταστούν στην παρούσα εργασία, η εφαρμογή της μεθόδου παρουσιάζει δυσκολίες εξαιτίας των μικρών παραμορφώσεων που επιδέχονται αυτά μέχρι την αστοχία τους. Στο τέταρτο κεφάλαιο περιγράφεται ο εργαστηριακός εξοπλισμός που χρησιμοποιήθηκε, καθώς και η προετοιμασία των δοκιμίων. Οι δοκιμές εκτελέσθηκαν στο Εργαστήριο Τεχνολογίας ιάνοιξης Σηράγγων της Σχολής Μηχ. Μεταλλείω- Μεταλλουργών του Ε.Μ.Π. Πριν την έναρξη των δοκιμών, πρέπει να είναι γνωστά τα χαρακτηριστικά των υλικών όπω ηαντοχή, το μέτρο ελαστικότητας, ο λόγος Poisson, κλπ. Επίσης περιγράφεται η προεργασία της δοκιμής ακουστικής εκπομπής όπως οι δοκιμές εξασθένισης, η επιλογή του μέσου σύζευξης των αισθητήρων με το δοκίμιο. Στο πέμπτο κεφάλαιο περιγράφονται τα πειράματα και τα αποτελέσματα από κάθε δοκίμιο αναλυτικά με φωτογραφίες και τα κατάλληλα διαγράμματα και σχήματα. Στο έκτο κεφάλαιο παρουσιάζονται τα συμπεράσματα που διεξήχθησαν από τα πειράματα
(EL)
This thesis is conducted under the Interdepartmental Postgraduate Program "Design and Construction of Underground Projects" of the National Technical University of Athens. The primary purpose of this study is to examine experimentally and theoretically the fracture initiation and evolution from the tensile and compressive stress concentration at the periphery of circular voids subjected to compressive loading. The major and minor fracture occurrences are being monitored by acoustic emission technique in combination with the use of strain gauges until failure. The fracture process and evaluation of the general condition of the material at each moment of compression, are enlightened by information of the population of the AE signals, as well as specific indices. In addition to the above experiments, the specimens will be sprayed with a pattern in order to calculate in-plane displacement and strain data at points on the surface of the loaded specimen by using Digital Image Correlation technique provided by a freely available Matlab code.
(EN)
