Development of a methodology for evaluating the structural integrity of reinforced concrete elements and other building materials

Abstract

Concrete structures are the basis of contemporary technical civilization. They support transportation, storage of goods and shelter humans in large numbers. Despite their endurance, they have ceased to be considered as maintenance-free. They are subject to long-term loading due to own weight, dynamic loading scenarios including earthquakes, as well as environmental degradation. Concrete structures need to undergo inspection and evaluation of their health condition while proper maintenance actions should be proposed. In order to prolong their useful life span, a robust monitoring methodology should be applied. The first and basic information is extracted from visual inspection. However, this concerns only the surface distress indications. Defects may start to grow from the interior and therefore, an assessment based solely on visual observation would not be complete. Among monitoring methodologies that assess the full volume of the structure, acoustic emission (AE) has started to be applied in a wide basis. AE is a passive nondestructive evaluation (NDE) technique that offers specific advantages like real time monitoring of defects propagation, which enables to characterize the critical moments of the structure in relation to the applied operational load.The objective of this thesis is the development and application of a novel methodology with NDE techniques, especially acoustic emission (AE) and ultrasonic (Ultrasound Pulse Velocity UPV), for the evaluation and monitoring of induced damage in the elements of the structure. The prediction of the remaining life of a structure can be assisted by the characterization of the current cracking mode. Usually, tensile phenomena precede shear fracture. Due to the different movement of the crack sides according to the dominant mode, the emitted elastic energy possesses waveforms with different characteristics. These are captured by acoustic emission sensors and analyzed for their frequency content and waveform parameters.Therefore, identification of the mode of fracture in building materials using elastic wave methods has been achieved. Finally, an innovative methodology for damage investigation cement-based structural elemens, using elastic wave approaches has been developed.

Οι κατασκευές από Σκυρόδεμα αποτελούν τη βάση του σύγχρονου τεχνικού πολιτισμού. Υποστηρίζουν τις συγκοινωνίες, την αποθήκευση πρώτων υλών και προϊόντων και προσφέρουν κατάλυμα σε ανθρώπους σε ευρεία κλίμακα. Η άποψη ότι οι κατασκευές από οπλισμένο σκυρόδεμα παρουσιάζουν υψηλή ανθεκτικότητα στο χρόνο έχει εγκαταλειφθεί προ πολλού. Είναι κατασκευές οι οποίες υπόκεινται σε συνθέτες καταπονήσεις λόγω: μακροχρόνιας φόρτισης από το ίδιο βάρος, δυναμικών σεναρίων φόρτισης συμπεριλαμβανομένων των σεισμών, καθώς και υποβάθμισης της δομικής ακεραιότητας λόγω περιβαλλοντικών συνθηκών. Οι κατασκευές από σκυρόδεμα πρέπει να υποβάλλονται σε επιθεώρηση και αξιολόγηση της κατάστασης της δομικής τους ακεραιότητας, ενώ θα πρέπει παράλληλα να προτείνονται κατάλληλες ενέργειες συντήρησης. Για να παραταθεί η ωφέλιμη διάρκεια ζωής τους, θα πρέπει να εφαρμόζεται μια αξιόπιστη μεθοδολογία παρακολούθησης της εναπομένουσας αντοχής και γενικότερα της δομικής ακεραιότητας των επιμέρους δομικών στοιχείων. Αρχικά βασικές πληροφορίες της μηχανικής τους απόδοσης εξάγονται από την οπτική επιθεώρηση, ωστόσο, αυτές αφορούν μόνο τις επιφανειακές ενδείξεις αποσάθρωσης και αστοχιών. Οι βλάβες μπορεί να ξεκινούν την εμφάνιση τους από το εσωτερικό του εκάστοτε δομικού στοιχείου για το λόγο αυτό και η αξιολόγηση της δομικής ακεραιότητας που βασίζεται μόνο στην οπτική επιθεώρηση είναι ατελής και πρόχειρη. Η ακουστική εκπομπή (ΑΕ) είναι εκείνη από τις μεθοδολογίες μη καταστρεπτικού ελέγχου που αξιολογούν τον πλήρη όγκο της δομής, η οποία έχει αρχίσει να εφαρμόζεται σε ευρεία βάση. Η (ΑΕ) είναι μια παθητική τεχνική μη καταστροφικής αξιολόγησης (NDE), που προσφέρει ιδιαίτερα πλεονεκτήματα, όπως η σε πραγματικό χρόνο παρακολούθηση της προόδου της βλάβης, η οποία είναι σε θέση να επιτρέπει τον χαρακτηρισμό του κρίσιμου χρόνου για την δομή σε σχέση με το εφαρμοζόμενο λειτουργικό φορτίο.Ο στόχος της παρούσας διατριβής είναι η ανάπτυξη και εφαρμογή μιας νέας μεθοδολογίας συνδυασμού τεχνικών NDE, ειδικότερα της ακουστικής εκπομπής (ΑΕ) και των υπερήχων (Ultrasound Pulse Velocity UPV), για την αξιολόγηση και την παρακολούθηση της βλάβης που προκαλείται στα στοιχεία της δομής. Η πρόβλεψη της υπολειπόμενης διάρκειας ζωής μιας δομής επικουρείται από τον χαρακτηρισμό του είδους θραύσης. Ανάλογα με τον τύπο θραύσης παρατηρείται διαφορετική κίνηση των πλευρών της ρωγμής κατά την δημιουργία της βλάβης, με συνέπεια η ελαστική ενέργεια που εκπέμπεται να παράγει κυματομορφές με διαφορετικά χαρακτηριστικά, οι οποίες καταγράφονται από τους αισθητήρες ακουστικής εκπομπής και αναλύονται ως προς την συχνότητά καθώς και άλλες παραμέτρους. Με αυτόν τον τρόπο επιτυγχάνεται ο προσδιορισμός του είδους θραύσης στα δομικά υλικά, χρησιμοποιώντας ελαστικές κυματικές μεθόδους. Τέλος, αναπτύσσεται μια καινοτόμος μεθοδολογία για τη διερεύνηση της βλάβης (τεχνητή και φυσική) σε δομικά στοιχεία με βάση το τσιμέντο, χρησιμοποιώντας ελαστικές κυματικές μη καταστρεπτικές μεθόδους .