Ευφυή συστήματα πιεζοηλεκτρικών αισθητήρων για την αξιολόγηση βλαβών σε στοιχεία ωπλισμένου σκυροδέματος: αναλυτική και πειραματική έρευνα

Abstract

Structural Health Monitoring is a critical issue that affects the safety, durability and cost-effectiveness of structures. Structural Health Monitoring (SHM) is a new research field that has been developing over the last 30 years or so and involves a variety of technologies and structures. Structural health monitoring could be defined as the process of applying an integrated technique to identify damage in structures, but also the continuous monitoring of the evolution of phenomena that could bring about a reduction in the capacity of the structure in real time. A failure can be considered as any structural change or change in material properties that adversely affects the behaviour of the structure and reduces its lifetime. The aim of the structural integrity of structures is to prevent failures by diagnosing faults at an early stage of their development. The development of structural health monitoring systems, simple to install in both existing and new structures, small in size, fast response, and not affecting the operation of the structure, contributes significantly to the safety and sustainability of structures. The development of “intelligent” systems incorporating sensors and data analysis techniques allows automated monitoring and evaluation of the condition and behaviour of structures under various conditions. Damage detection in reinforced concrete elements using sensors is a multifactorial problem that has been studied in recent years with the aim of finding the optimal combination of materials, damage detection techniques, systems and technical equipment, signal analysis methodologies and measurement evaluation to achieve the ultimate goal of continuous real-time monitoring of the structural integrity of reinforced concrete elements. The advantages of using piezoelectric sensors, and especially their unique characteristic that allows them to act as both exciters and sensors at the same time, have made them suitable in recent years for investigating their ability to monitor the structural integrity of structures. The Electromechanical Admittance/Impedance method is a method that exploits the piezoelectric effect to monitor structural integrity of structures. When applying this technique, the sensor acquires a dual role by fully exploiting the piezoelectric effect. In this thesis, the ability of piezoelectric sensors using the Composite Electromechanical Admittance/Impedance method to detect and assess damage in real-scale reinforced concrete elements at experimental and analytical levels was investigated. In the context of investigating the ability of the sensors to detect damage in concrete elements using the Composite Electromechanical Admittance/Impedance method, an advanced innovative system of excitation and recording of the sensors' response, the WiAMS (Wireless Impedance/Admittance Monitoring System), designed by Professor Konstantinos Providakis at the Technical University of Crete, was applied and its ability to monitor the structural integrity of structures was evaluated. The experimental and analytical investigation includes the evaluation of failures in longitudinal reinforcement bars with attached piezoelectric sensors. Then, the results of experimental failure assessment using bonded sensors on longitudinal reinforcing bars embedded in reinforced concrete beams under flexural tension are presented. This is followed by the experimental evaluation of failures using externally bonded piezoelectric sensors in reinforced concrete beams under flexural tension and in a beam with high strength carbon FRP bars. Following, the results of experimental failure assessment using externally bonded piezoelectric sensors and “smart” aggregates in reinforced concrete beams under shear stress are presented. Finally, the results of finite element simulation of a reinforced concrete beam with bonded piezoelectric sensors on longitudinal reinforcing bars are presented.

Η δομική ακεραιότητα των κατασκευών είναι ένα κρίσιμο ζήτημα που επηρεάζει την ασφάλεια, την ανθεκτικότητα και την οικονομική αποδοτικότητα των κατασκευών. Η παρακολούθηση της δομικής ακεραιότητας των κατασκευών (Structural Health Monitoring-SHM) είναι ένα νέο ερευνητικό πεδίο που αναπτύσσεται τα τελευταία 30 περίπου χρόνια και αφορά πλήθος τεχνολογιών και κατασκευών. Η παρακολούθηση δομικής ακεραιότητας θα μπορούσε να οριστεί η διαδικασία της εφαρμογής μιας ολοκληρωμένης τεχνικής προσδιορισμού βλαβών στις κατασκευές, αλλά και η διαρκής παρακολούθηση της εξέλιξης των φαινομένων που θα μπορούσαν να επιφέρουν μείωση της ικανότητας της κατασκευής σε πραγματικό χρόνο. Ως βλάβη μπορεί να θεωρηθεί κάθε δομική αλλαγή ή αλλαγή των ιδιοτήτων του υλικού που επηρεάζει τη συμπεριφορά της κατασκευής δυσμενώς, και μειώνει τον χρόνο ζωής της. Στόχος της παρακαλούθησης της δομικής ακεραιότητας των κατασκευών είναι η πρόληψη των αστοχιών, μέσω της διάγνωσης βλαβών σε πρωίμο στάδιο ανάπτυξής τους. Η ανάπτυξη συστημάτων παρακολούθησης δομικής ακεραιότητας των κατασκευών, απλών στην εγκατάσταση τόσο σε υπάρχουσες όσο και σε νέες κατασκευές, μικρού μεγέθους, γρήγορης απόκρισης που δεν επηρεάζουν την λειτουργία της κατασκευής συμβάλει σημαντικά στην ασφάλεια και την βιωσιμότητα των κατασκευών. Η ανάπτυξη «ευφυών» συστημάτων με την ενσωμάτωση αισθητήρων και τεχνικών ανάλυσης δεδομένων επιτρέπει την αυτοματοποιημένη παρακολούθησης και αξιολόγηση της κατάστασης και της συμπεριφοράς των κατασκευών υπό διάφορες συνθήκες. Ο εντοπισμός βλαβών σε στοιχεία ωπλισμένου σκυροδέματος με χρήση αισθητήρων είναι ένα πολυπαραγοντικό πρόβλημα που εξετάζεται τα τελευταία χρόνια με στόχο την εύρεση του βέλτιστου συνδυασμού υλικών, τεχνικών εντοπισμού βλαβών, συστημάτων και τεχνικού εξοπλισμού, μεθοδολογιών ανάλυσης σήματος και αξιολόγησης μετρήσεων, ώστε να επιτευχθεί ο απώτερος στόχος της συνεχούς παρακολούθησης της δομικής ακεραιότητας των στοιχείων από ωπλισμένο σκυρόδεμα σε πραγματικό χρόνο. Τα πλεονεκτήματα της χρήσης πιεζοηλεκτρικών αισθητήρων, και κυρίως το μοναδικό χαρακτηριστικό τους που τους επιτρέπει να λειτουργούν ως διεγέρτες και ως αισθητήρες ταυτόχρονα, τους έχουν καταστήσει τα τελευταία χρόνια κατάλληλους για διερεύνηση της ικανότητάς τους για παρακολούθηση της δομικής ακεραιότητας κατασκευών. Η μέθοδος της Σύνθετης Ηλεκτρομηχανικής Αγωγιμότητας/ Εμπέδησης είναι μια μέθοδος που αξιοποιεί το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο για την παρακολούθηση δομικής ακεραιότητας κατασκευών. Κατά την εφαρμογή αυτής της τεχνικής ο αισθητήρας αποκτά διπλό ρόλο εκμεταλλευόμενος πλήρως το πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο. Στην παρούσα διατριβή διευρεύνηθηκε η ικανότητα των πιεζοηλεκτρικών αισθητήρων, με χρήση της μεθόδου της Σύνθετης Ηλεκτρομηχανικής Αγωγιμότητας/Εμπέδησης να εντοπίσουν και να αξιολογήσουν βλάβες σε στοιχεία ωπλισμένου σκυροδέματος πραγματικής κλίμακας σε πειραματικό και αναλυτικό επίπεδο. Στα πλαίσια της διερεύνησης της ικανότητας των αισθητήρων να εντοπίσουν βλάβες σε στοιχεία σκυροδέματος με τη μέθοδο της Σύνθετης Ηλεκτρομηχανικής Αγωγιμότητας/ Εμπέδησης έγινε εφαρμογή ενός προηγμένου καινοτόμου συστήματος διέγερσης και καταγραφής της απόκρισης των αισθητήρων, του WiAMS (Wireless Impedance/Admittance Monitoring System), που σχεδιάστηκε από τον Καθηγητή Κωνσταντίνο Προβιδάκη στο Πολυτεχνείο Κρήτης και αξιολογήθηκε η ικανότητά του στην παρακολούθηση της δομικής ακεραιότητας των κατασκευών. Η πειραματική και αναλυτική διερεύνηση περιλαμβάνει την αξιολόγηση βλαβών σε διαμήκης ράβδους οπλισμού με επικολλημένους πιεζοηλεκτρικούς αισθητήρες. Στη συνέχεια, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της πειραματικής αξιολόγησης βλαβών με χρήση επικολλημένων αισθητήρων σε διαμήκης ράβδους οπλισμού εγκιβωτισμένες σε δοκούς ωπλισμένου σκυροδέματος υπό καμπτική ένταση. Ακολουθεί η πειραματική αξιολόγηση βλαβών με χρήση εξωτερικά επικολλημένων πιεζοηλεκτρικών αισθητήρων σε δοκούς ωπλισμένου σκυροδέματος υπό καμπτική ένταση και σε δοκό με υψηλής αντοχής ράβδους άνθρακα ΙΟΠ. Ακολούθως, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της πειραματικής αξιολόγησης βλαβών με χρήση εξωτερικά επικολλημένων πιεζοηλεκτρικών αισθητήρων και «ευφυών» αδρανών σε δοκούς ωπλισμένου σκυροδέματος υπό διατμητική ένταση. Τέλος, παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης με πεπερασμένα στοιχεία δοκού ωπλισμένου σκυροδέματος με επικολλημένους πιεζοηλεκτρικούς αισθητήρες σε διαμήκης ράβδους οπλισμού.