Διάγνωση βλαβών σε κατασκευές σκυροδέματος με χρήση ευφυών πιεζοηλεκτρικών αισθητήρων σαν αδρανή σκυροδέματος

Abstract

The present PhD thesis deals with the application of piezoelectric materials in non-destructive testing of concrete, and in particular, with their applicability in damage detection of structural elements. Moreover, the application of piezoelectric materials in monitoring of early age concrete mechanical behavior is investigated. Due to the need for continuous gathering of information regarding the condition of concrete structural members from the first stages of their construction, one of the main aims of the present research is the design and development of monitoring devices based on piezoelectric materials, which are embedded to concrete mass and characterized as “smart” piezoelectric aggregates.The main technique that has been employed to monitor the structural integrity of the concrete is the method of Electro-Mechanical Impedance. This method is based on a comparative analysis between a reference response spectrum which corresponds to the state of the “healthy” (without damages) structure and a spectrum associated with the state in which the structure is subjected to damages and/or degraded mechanical properties. In the context of this thesis a novel method for performing the comparative analysis has been developed, which is based on the statistical control of changes that occur between the reference and the response spectrum of a structure which experiences mechanical failures. Statistical control of the changes is implemented by identifying the confidence limits, within which every difference that occurs in the recorded spectra of the undamaged concrete structure must be confined.Regarding the instrumental monitoring of concrete structural systems using “smart” piezoelectric aggregates, a cost-effective prototype integrated system has been developed for the automatic recording of Electro-Mechanical Impedance at regular time intervals. This system includes a low-cost electronic board, referred as AD5933 EB (Evaluation Board), and a prototype Teflon based “smart” piezoelectric aggregate. Moreover, this system utilizes wireless technology to transfer data from the AD5933 EB to a client computer and enables the assembly of the impedance measurements in a suitably designed database. The main contribution of the proposed system is that it enables every user that has access rights in the database, to be connected remotely via internet and to extract, via properly scripted queries, the desired Electro-Mechanical Impedance measurements for real-time structural integrity assessment and post-processing.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται τη χρήση των πιεζοηλεκτρικών υλικών για το μη καταστροφικό έλεγχο του σκυροδέματος και ειδικότερα τη δυνατότητα εφαρμογής τους, σε διαδικασίες ανίχνευσης μηχανικών βλαβών σε δομικά στοιχεία. Επιπλέον διερευνάται η εφαρμογή των πιεζοηλεκτρικών υλικών στην παρακολούθηση των μεταβολών της μηχανικής συμπεριφοράς του πρώιμου σκυροδέματος. Λόγω της ανάγκης ελέγχου του σκυροδέματος από τα πρώτα στάδια παρασκευής του, μια από τις θεμελιώδεις στοχεύσεις της παρούσας διατριβής, είναι ο σχεδιασμός και η ανάπτυξη διατάξεων-συσκευών παρακολούθησης με βάση τα πιεζοηλεκτρικά υλικά, οι οποίες θα έχουν τη δυνατότητα ενσωμάτωσης στη μάζα του σκυροδέματος, λειτουργώντας ως «ευφυή» αδρανή υλικά.Η κύρια τεχνική που εφαρμόστηκε για τη παρακολούθηση της δομικής ακεραιότητας του σκυροδέματος είναι η μέθοδος της Ηλεκτρο-Μηχανικής Εμπέδησης (ΗΜΕ). Η συγκεκριμένη μέθοδος στηρίζεται στη συγκριτική ανάλυση μεταξύ των ενοργάνως καταγραφόμενων ή αριθμητικώς προσδιοριζόμενων φασμάτων απόκρισης της ΗΜΕ, στο πεδίο των συχνοτήτων. Στα πλαίσια της παρούσας διατριβής αναπτύχθηκε μια καινοτόμα μέθοδος συγκριτικής ανάλυσης, η οποία στηρίζεται στο στατιστικό έλεγχο των διαφορών που εμφανίζουν μεταξύ τους το φάσμα αναφοράς μιας δομικά «υγιούς» κατασκευής και τα φάσματα απόκρισης της ιδίας κατασκευής μετά την εκδήλωση μιας ή περισσοτέρων μηχανικών βλαβών (π.χ. ρηγμάτωση). Ο στατιστικός έλεγχος των διαφορών υλοποιείται με τον προσδιορισμό των ορίων εμπιστοσύνης, μέσα στα οποία θα πρέπει να κινούνται οι όποιες διαφοροποιήσεις εμφανίζονται μεταξύ διαδοχικών καταγραφών των φασμάτων απόκρισης της δομικά «υγιούς» κατασκευής.Σχετικά με την ενόργανη παρακολούθηση των δομικών συστημάτων σκυροδέματος τα οποία φέρουν τα «ευφυή» πιεζοηλεκτρικά αδρανή, αναπτύχθηκε ένα πρωτότυπο ολοκληρωμένο σύστημα αυτόματης καταγραφής της Ηλεκτρο-Μηχανικής Εμπέδησης, το οποίο ενσωματώνει το χαμηλού κόστους τυπωμένο κύκλωμα μέτρησης της ηλεκτρικής εμπέδησης, AD5933 EB και ένα πρωτότυπο «ευφυές» αδρανές με βάση το Teflon. Επιπλέον το συγκεκριμένο σύστημα αξιοποιεί την ασύρματή τεχνολογία για τη μεταφορά δεδομένων από το τυπωμένο κύκλωμα μέτρησης της ηλεκτρικής εμπέδησης AD5933 ΕΒ, σε ένα υπολογιστή διαχείρισης και δίνει τη δυνατότητα της αυτόματης καταχώρησης των μετρήσεων σε μια κατάλληλα διαμορφωμένη βάση δεδομένων. Σημαντική καινοτομία της παρούσας εφαρμογής αποτελεί το γεγονός ότι δίνεται η δυνατότητα στον οποιοδήποτε χρήστη έχει δικαιώματα στη βάση δεδομένων, να συνδέεται απομακρυσμένα μέσω διαδικτύου σε αυτή και να ανακτά τις μετρήσεις της Ηλεκτρο-Μηχανικής Εμπέδησης για περαιτέρω επεξεργασία και αξιολόγηση.