ιάγνωση βλαβών σε κατασκευές σκυροδέµατος µε τη χρήση "ευφυών" πιεζοηλεκτρικών αισθητήρων σαν αδρανή σκυροδέµατος

Transcript

1 ΠΟΛΥΤΕΧΝΕΙΟ ΚΡΗΤΗΣ ΣΧΟΛΗ ΑΡΧΙΤΕΚΤΟΝΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΕΦΑΡΜΟΣΜΕΝΗΣ ΜΗΧΑΝΙΚΗΣ ιάγνωση βλαβών σε κατασκευές σκυροδέµατος µε τη χρήση "ευφυών" πιεζοηλεκτρικών αισθητήρων σαν αδρανή σκυροδέµατος Υποστήριξη διδακτορικής διατριβής Ευάγγελος Β. Λιαράκος Μηχανικός Ορυκτών Πόρων Επιβλέπων: Καθηγητής Κωνσταντίνος Π. Προβιδάκης Χανιά, Ιανουάριος 2015

2 Η παρούσα διδακτορική έρευνα συγχρηµατοδοτήθηκε από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταµείο - ΕΚΤ) και εθνικούς πόρους µέσω του Επιχειρησιακού Προγράµµατος «Εκπαίδευση και ια Βίου Μάθηση» του Εθνικού Στρατηγικού Πλαισίου Αναφοράς (ΕΣΠΑ). Ερευνητικό Πρόγραµµα Χρηµατοδότησης: Ηράκλειτος ΙΙ. Η επένδυση στην κοινωνία της γνώσης µέσω του Ευρωπαϊκού Κοινωνικού Ταµείου. 2 /105

3 ηµοσιεύσεις Άρθρα σε διεθνή επιστηµονικά περιοδικά J1. Providakis CP and Liarakos EV, T-WiEYE: An early-age concrete strength development monitoring and miniaturized wireless impedance sensing system. Engineering Procedia; J2. Providakis CP, Liarakos EV and E. Kampianakis, Nondestructive Wireless Monitoring of Early-Age Concrete Strength Gain Using an Innovative Electromechanical Impedance Sensing System. Smart Materials Research; doi: /2013/ J3. Providakis CP and Liarakos EV, Web-based concrete strengthening monitoring using an innovative electromechanical impedance telemetric system and extreme values statistics. Structural Control and Health Monitoring; doi: /stc Ανακοινώσεις σε διεθνή συνέδρια µε κριτές C1. Providakis CP and Liarakos EV, Early age concrete strength monitoring using embedded smart aggregates as sensors. Structural Health Monitoring 2010: Proceedings of the Fifth European Workshop; DEStech Publications Inc, July C2. Providakis CP, Liarakos EV and Voutetaki M, Damage detection in concrete components using PZT actuators/sensors and extreme value statistics.9 th HSTAM Congress in Mechanics; Limassol, Cyprus, July C3. Providakis CP and Liarakos EV, T-WiEYE: An early-age concrete strength development monitoring and miniaturized wireless impedance sensing system. 11 th International Conference on the Mechanical Behavior of Materials (ICM2011); Lake Como, Italy, June C4. Providakis CP and Liarakos EV, T-WiEYE early-age concrete monitoring sensor: Computer modeling and simulation. International Conference on Computational and Experimental Engineering and Science (ICCES 12); May- June 2012, Crete, Greece. C5. Liarakos EV and Providakis CP, A miniaturized early age concrete strengthening and hydration monitoring system based on Piezoelectric transducers.10th HSTAM Congress on Mechanics May 2013, Crete, Greece. 3 /105

4 Επισκόπηση Παρουσίασης 1. Αντικείµενο και Στόχοι της ιατριβής 2. Πιεζοηλεκτρικά υλικά και Ηλεκτρο-ΜΗχανικά Συστήµατα (ΗΜΗΣ) 3. Η µέθοδος της Ηλεκτρο-Μηχανικής Εµπέδησης(HME) 4. Αξιολόγηση δοµικής ακεραιότητας κατασκευών σκυροδέµατος 5. Ανάπτυξη ολοκληρωµένου ασύρµατου συστήµατος καταγραφής και αποθήκευσης της HME 6. Εφαρµογές σε δοµικά στοιχεία σκυροδέµατος 7. Συµπεράσµατα-Προτάσεις 4 /105

5 1. Αντικείµενο και Στόχοι της ιατριβής 5 /105

6 1. Αντικείµενο και Στόχοι της ιατριβής Βασικοί Ορισµοί οµική Ακεραιότητα ή οµική «υγεία». Η ικανότητα µιας κατασκευής να παραλαµβάνει κατά τη λειτουργιά της µε ασφάλεια τα φορτία για τα οποία σχεδιάστηκε. οµικά Χαρακτηριστικά. Το σύνολο των γεωµετρικών και µηχανικών ιδιοτήτων µιας κατασκευής, καθώς και των αντοχών των δοµικών υλικών. Μηχανική Βλάβη. Οποιαδήποτε µη προβλεπόµενη µεταβολή στα δοµικά χαρακτηριστικά µιας κατασκευής, η οποία επιδεινώνει τη δοµική της ακεραιότητα και επιδρά αρνητικά στη συνολική µηχανική της συµπεριφορά. 6 /105

7 1. Αντικείµενο και Στόχοι της ιατριβής Παρακολούθηση δοµικών χαρακτηριστικών Η απόκριση µιας κατασκευής στην δράση εξωτερικών µηχανικών φορτίσεων (στατικών ή δυναµικών) καθορίζεται σε µεγάλο βαθµό από τις µηχανικές και φυσικές ιδιότητες των υλικών. Η παρακολούθηση των µηχανικών ιδιοτήτων αποτελεί µια διαδικασία ζωτικής σηµασίας για την αξιολόγηση της δοµικής ακεραιότητας των κατασκευών. Καταστρεπτική δοκιµή Σκυροδέµατος Παραµόρφωση 7 /105 Μηχανική Τάση υσκαµψία Μηχανική Αντοχή

8 1. Αντικείµενο και Στόχοι της ιατριβής Μη Καταστρεπτικός Έλεγχος (ΜΚΕ) Σκυροδέµατος υνατότητα άµεσου ελέγχου και αξιολόγησης της δοµικής ακεραιότητας των κατασκευών, από τα πρώτα στάδια δόµησηςκαιγιατοσύνολοτουχρόνουζωήςτους. Εκτίµηση των µηχανικών ιδιοτήτων του σκυροδέµατος στο χώρο της κατασκευής, χωρίς να απαιτείται η λήψη δοκιµίων. Φιλοσοφία ΜΚΕ: Έµµεσος προσδιορισµός (Εκτίµηση) των µηχανικών ιδιοτήτων ( οµικά Χαρακτηριστικά) µε βάση την άµεση καταγραφή συγκεκριµένων φυσικών µεγεθών (Μεγέθη Παρατήρησης). 8 /105

9 1. Αντικείµενο και Στόχοι της ιατριβής Μη Καταστρεπτικός Έλεγχος (ΜΚΕ) Σκυροδέµατος Στόχοι Παρακολούθηση των διαδικασιών ενυδάτωσης της τσιµεντόπαστας και σκλήρυνσης του πολύ πρώιµου σκυροδέµατος, από τις πρώτες ώρες µετά τη σκυροδέτηση µέχρικαιτιςπρώτες48ώρες. Παρακολούθηση της διαδικασίας ωρίµανσης και ανάπτυξης της δυσκαµψίας του σκυροδέµατος, τις πρώτες 28 ηµέρες µετά την παρασκευή του. Ανίχνευση µεταβολών της δυσκαµψίας και των ελαστικών ιδιοτήτων του σκυροδέµατος, οι οποίες δύναται να συνδέονται µε την ύπαρξη µηχανικών βλαβών. 9 /105

10 1. Αντικείµενο και Στόχοι της ιατριβής Μη Καταστρεπτικός Έλεγχος (ΜΚΕ) Σκυροδέµατος και Πιεζοηλεκτρικά Υλικά Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά επιδεικνύουν την ικανότητα µετατροπής της ηλεκτρικής ενέργειας σε µηχανική και το αντίστροφο. Αισθητήρες δυναµικής κίνησης(sensors) Γεννήτριες υψίσυχνων µηχανικών κυµάτων (Actuators, kHz) Αυτό-αισθητήριες πιεζοηλεκτρικές συσκευές (Auto-sensing devices, Sensors/Actuators) Ανίχνευση αλλαγών στα δοµικά χαρακτηριστικά µιας κατασκευής µε βάση τη µεταβολή της ηλεκτρικής απόκρισης των πιεζοηλεκτρικών αισθητήρων. 10 /105

11 1. Αντικείµενο και Στόχοι της ιατριβής Στόχοι ιατριβής Ανάπτυξη: Μαθηµατικών µοντέλων Ηλεκτρο-Μηχανικής αλληλεπίδρασης µεταξύ πιεζοηλεκτρικών υλικών και κατασκευών από σκυρόδεµα. Μεθόδων αναλυτικής προσοµοίωσης της ηλεκτρικής και της µηχανικής απόκρισης των Ηλεκτρο-ΜΗχανικών Συστηµάτων. Κατάλληλων διατάξεων ενσωµάτωσης (Embedding) των πιεζοηλεκτρικών υλικών στη µάζα του σκυροδέµατος. Τεχνικών στατιστικού ελέγχου, για την αξιολόγηση της δοµικής ακεραιότητας των κατασκευών. Σχεδιασµός ολοκληρωµένου ασύρµατου συστήµατος ΜΚΕ σκυροδέµατος, µε τη χρήση πιεζοηλεκτρικών υλικών. 11 /105

12 1. Αντικείµενο και Στόχοι της ιατριβής Συνεισφορά ιατριβής Ανάπτυξη ενός µοντέλου περιγραφής της Ηλεκτρο-Μηχανικής αλληλεπίδρασης µεταξύ πιεζοηλεκτρικών υλικών και δοµικών στοιχείων σκυροδέµατος, το οποίο στηρίζεται στη διάδοση των εγκαρσίων µηχανικών κυµάτων και λαµβάνει υπόψη την υψηλή δυσκαµψία και εσωτερική απόσβεση του υλικού[j3]. Προσοµοίωση της µηχανικής απόκρισης ενός δοµικού στοιχείου σκυροδέµατος µε τη χρήση ισοδύναµων πολυβάθµιων δυναµικών συστηµάτων[c2-3,j3]. Σχεδιασµός και ανάπτυξη ενός καινοτόµου πιεζοηλεκτρικού αισθητήρα µε βάση το Teflon, το οποίο συνδυάζει την επαρκή µηχανική αντοχή µε τη χηµική αδράνεια και δίνει τη δυνατότητα ανάκτησης και επανάχρησης τους[j1-2, C3-5]. 12 /105

13 1. Αντικείµενο και Στόχοι της ιατριβής Συνεισφορά ιατριβής Ανάπτυξη ενός ολοκληρωµένου συστήµατος καταγραφής της ΗΜΕ το οποίο συνδυάζει[j3,c5]: Πιεζοηλεκτρικούς αισθητήρες οι οποίοι λειτουργούν σαν«ευφυή» αδρανή υλικά. Ασύρµατη επικοινωνία των πιεζοηλεκτρικών «ευφυών» αδρανών µε τα συστήµατα καταγραφής. Ολοκληρωµένα ηλεκτρικά κυκλώµατα χαµηλού κόστους, για τη µέτρηση της ηλεκτρικής απόκρισης των αισθητήρων. Μόνιµη Εγκατάσταση στο χώρο της κατασκευής. Ολοκληρωµένη και αποµακρυσµένη διαχείριση των δεδοµένων καταγραφής, µε τη συνδυασµένη χρήση MySQL και MATLAB. 13 /105

14 2. Πιεζοηλεκτρικά υλικά και Ηλεκτρο- ΜΗχανικά Συστήµατα (ΗΜΗΣ) 14 /105

15 2. Πιεζοηλεκτρικά υλικά και Ηλεκτρο-ΜΗχανικά Συστήµατα(ΗΜΗΣ) Πιεζοηλεκτρικά Υλικά Τα πιεζοηλεκτρικά υλικά επιδεικνύουν το χαρακτηριστικό της εµφάνισης διαφοράς ηλεκτρικού δυναµικού σε µια συγκεκριµένη διεύθυνση, όταν εφαρµόζεται σε αυτά ένα µηχανικό φορτίο(ευθύ πιεζοηλεκτρικό φαινόµενο). Αντιστρόφως, παραµορφώνονται σε µια συγκεκριµένη διεύθυνση όταν βρίσκονται υπό την επίδραση ενός ηλεκτρικού πεδίου (Αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόµενο). u u F F Ευθύ V + - Αντίστροφο V /105

16 2. Πιεζοηλεκτρικά υλικά και Ηλεκτρο-ΜΗχανικά Συστήµατα(ΗΜΗΣ) Πιεζοηλεκτρικά Υλικά: οµή Πιεζοηλεκτρικό Επίθεµα PZT (Lead ZirconateTitanate). Κεραµικός Πυρήνας Οξειδίου του Μολύβδου και του Ζιρκονίου ή Τιτανίου Pb(Zr,Ti)O 3 Μεταλλικοί Ακροδέκτες ιηλεκτρικό Στοιχείο Ηλεκτρικό Πεδίο: E 3 = E 3 e iωt y 3 Ακροδέκτες επιθέµατος Πολωµένος Κρύσταλλος PZT (ΣιδηροηλεκτρικήΦάση T<T C ) y 2 Q 3 = Q e 3 y 1 iωt Ηλεκτρικό Φορτίο T C : Θερµοκρασία Curie 16 /105

17 2. Πιεζοηλεκτρικά υλικά και Ηλεκτρο-ΜΗχανικά Συστήµατα(ΗΜΗΣ) Πιεζοηλεκτρικά Υλικά: Καταστατικές Εξισώσεις Εξισώσεις Παραµόρφωσης-Φορτίου Τετραγωνικό Επίθεµα PZT: Επίπεδη Τάση Y E S S D = Y 1 = Y 1 = Y 3 E E = d E 31 ( T v T ) ( T v T ) T d ( 1+ in ) ε = ε ε ( 1 iδ) pzt T d + d ε E ε 33 : Σχετική ιηλεκτρική Σταθερά n pzt :Συντελεστής Μηχανικών Απωλειών δ: Συντελεστής Ηλεκτρικών Απωλειών 33 E E y j, j=1:3 : Καρτεσιανοί είκτες S jj : Παραµόρφωση Τ jj : Μηχανική Τάση(Pa) Υ Ε :Μέτρο Ελαστικότητας(Επίπεδο y 1 -y 2 ) v 12 : Λόγος Poisson (Επίπεδο y 1 -y 2 ) d 31 =d 32 :Πιεζοηλεκτρικός Συντελεστής Φορτίου (C/N, Επίπεδο y 1 -y 2 ) D 3 :Ηλεκτρική Μετατόπιση (C/m²) ε 0 =8.854e-12 (F/m) E 3 : Ηλεκτρικό Πεδίο (V/m) 17 /105

18 2. Πιεζοηλεκτρικά υλικά και Ηλεκτρο-ΜΗχανικά Συστήµατα(ΗΜΗΣ) Πιεζοηλεκτρικά Υλικά: Ηλεκτρική Απόκριση Ηλεκτρικό Ρεύµα Απόκρισης, Ι 3 :Αρµονική διέγερση (V 3 ) dq3 I3 = = iωq3 I3 = iωq3 = iω D3dA dt A pzt Α pzt : Επιφάνεια Επιθέµατος V3 E3 = h Πλάτος ηλεκτρικής Μετατόπισης: D 3 E d31y = S + S + ε 12 2d 2 31 ( ) ( ) v ( 1 v ) Y 12 E E 18 /105

19 2. Πιεζοηλεκτρικά υλικά και Ηλεκτρο-ΜΗχανικά Συστήµατα(ΗΜΗΣ) Ηλεκτρική Εµπέδηση/Αγωγιµότητα Ηλεκτρική Σύνθετη Αντίσταση-Ηλεκτρική Εµπέδηση: R 3 : Ηλεκτρική Αντίσταση (Resistance, Πραγµατικό Μέρος) Χ 3 : Άεργη Αντίσταση (Reactance, Φανταστικό Μέρος, Επαγωγικά/Χωρητικά Φαινόµενα) V Z 3 + ix 3 ( ) = = R ( ω) ( ω) ω 3 3 I3 Σύνθετη Αγωγιµότητα- Αντίστροφο Ηλεκτρικής Εµπέδησης: G 3 : Αγωγιµότητα (Conductance, Πραγµατικό Μέρος) Β 3 : Επιδεκτικότητα (Susceptance, Φανταστικό Μέρος, Συνάρτηση της χωρητικότητας του PZT) 1 Y + ( ) = = G ( ω) B ( ω) 3 ω 3 i 3 Z3 19 /105

20 2. Πιεζοηλεκτρικά υλικά και Ηλεκτρο-ΜΗχανικά Συστήµατα(ΗΜΗΣ) Ηλεκτρο-Μηχανική Απόκριση επιθέµατος PZT Ηλεκτρο-Μηχανική Αγωγιµότητα, Υ 3 :Αρµονική διέγερση Y free 3 = 2l iω h 2 d 2 31 Y ( 1 v ) 12 E tan γ ( γ) + Y fix 3, Y fix 3 = 2 l iω h ε 33 2d 2 31 Y ( 1 v ) 12 E γ=κl/2 κ =ω ρ /Y E ρ:πυκνότητα Ελεύθερο Μηχανικά PZT (Y 3 free ) Πακτωµένο Πλευρικά PZT (Y 3 fix )

21 2. Πιεζοηλεκτρικά υλικά και Ηλεκτρο-ΜΗχανικά Συστήµατα(ΗΜΗΣ) Ηλεκτρο-Μηχανική Απόκριση επιθέµατος PZT Πιεζοηλεκτρικό επίθεµα τύπου PIC 151 [2.1] [2.1]. Pi Ceramics, Piezoelectric Ceramic Products. Fundamentals, Characteristics and Applications.

22 2. Πιεζοηλεκτρικά υλικά και Ηλεκτρο-ΜΗχανικά Συστήµατα(ΗΜΗΣ) Πιεζοηλεκτρικά Υλικά και MKE Ευθύ πιεζοηλεκτρικό φαινόµενο: Αισθητήρες µηχανικών παραµορφώσεων, έκτες µηχανικών κυµάτων. Μέγεθος Παρατήρησης: Ηλεκτρική Τάση. Αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόµενο: Εφαρµογή µηχανικών φορτίσεων, Ποµποί µηχανικών κυµάτων. Αξιοποιούµενο µέγεθος: Μηχανική Παραµόρφωση. Στις διαδικασίες ΜΚΕ, πιεζοηλεκτρικά επιθέµατα τύπου PZT (Lead Zirconate Titanate) προσαρµόζονται στην υπό παρακολούθηση κατασκευή (Κατασκευή Φορέας Κ/Φ), λειτουργώντας ως διεγέρτες (actuator) ή αισθητήρες (sensors) µηχανικών ταλαντώσεων. 22 /105

23 2. Πιεζοηλεκτρικά υλικά και Ηλεκτρο-ΜΗχανικά Συστήµατα(ΗΜΗΣ) Μηχανική σύζευξη PZT-Κατασκευής Από τη πραγµατική κατασκευή y 3 Επιφανειακά προσαρµοσµένο PZT στο ισοδύναµο φυσικό µοντέλο y 1 Μηχανική Εµπέδηση Κατασκευής Κατασκευή από Σκυρόδεµα (Κ/Φ) y 3 Z St l/2 l/2 Z St Κατασκευή και αισθητήρας/διεγέρτης PZT, συγκροτούν ένα µηχανικά συζευγµένο Ηλεκτρο-ΜΗχανικό l/2 Z St l/2 h y 2 ~ y 1 Ηλεκτρική Τάση ιέγερσης V Z St 3 = V 3 e iωt Σύστηµα (ΗΜΗΣ). 23 /105

24 2. Πιεζοηλεκτρικά υλικά και Ηλεκτρο-ΜΗχανικά Συστήµατα(ΗΜΗΣ) Μηχανική σύζευξη PZT-Κατασκευής Μηχανική Εµπέδηση-DMI (Dynamic Mechanical Impedance) Z St ( ω) = Φάσµα Απόκρισης υναµής Φάσµα Απόκρισης Ταχύτητας Αρµονικό Κύµα: u 1 = U 142 iωt ( κ y ) e 1 sin 43 St 1 U 1 κ =ω ρ / E St Y St T 11 = Y κ U cos iωt ( κ y ) e E St St 1 St T 11 Z St ( ω) = F iωu 1 y = L 1 1 y = L 1 = T 11 y = L iωu 1 1 A 1 y = L = K St κ iω tan St L ( κ L) St, K St = Y E St A/ L Α:Επιφάνεια ιατοµής Στατική υσκαµψία

25 2. Πιεζοηλεκτρικά υλικά και Ηλεκτρο-ΜΗχανικά Συστήµατα(ΗΜΗΣ) Μηχανική σύζευξη PZT-Κατασκευής Κατασκευή καιαισθητήρας/διεγέρτης PZT, συγκροτούν ένα µηχανικά συζευγµένο Ηλεκτρο-ΜΗχανικό Σύστηµα (ΗΜΗΣ). Ηλεκτρο-Μηχανική Αγωγιµότητα(ΗΜΑ). 2d Y ( aγ) fix 2 2 E l 31 Ζ α tan l Y3 = i ω + Y3 h ( 1 v12) Ζa +ΖSt alγ Μηχανική Εµπέδηση PZT ( 1 v ) tan( aγ) a l :Συντελεστής υσκαµψίαςσύζευξης (Bonding Stiffness Coefficient). ιορθωτικός συντελεστής µετατόπισης των κορυφών του φάσµατος ΗΜΑ λόγω της προσκόλλησης του PZT σε µια κατασκευή µε υψηλότερη δυσκαµψία. Όσο η δυσκαµψία τηςκατασκευήςαυξάνεταιοα l 0. Z a 2Y = iω E h 12 aγ l l 25 /105

26 2. Πιεζοηλεκτρικά υλικά και Ηλεκτρο-ΜΗχανικά Συστήµατα(ΗΜΗΣ) Μηχανική σύζευξη PZT-Κατασκευής Ηλεκτρο-Μηχανικό Σύστηµα Σκυροδέµατος. Ηλεκτρο-Μηχανική Αγωγιµότητα: Υψηλή υσκαµψία Σκυροδέµατος σε σχέση µε τα επιθέµατα PZT α l 0 tan(α l γ)/α l γ 1 Y 3 = 2 l iω h 2d 2 31 Y 3 a ( 1 v ) Ζ +Ζ iω( 1 v ) 12 E a Ζ α St + Y fix, Z = 2Y E h /105

27 2. Πιεζοηλεκτρικά υλικά και Ηλεκτρο-ΜΗχανικά Συστήµατα(ΗΜΗΣ) Μηχανική σύζευξη PZT-Κατασκευής Ηλεκτρο-Μηχανικό Σύστηµα Σκυροδέµατος. ιατµητική Μηχανική Εµπέδηση[2.2]: Η µηχανική ενέργεια που εκλύεται από το ηλεκτρικά διεγερµένο PZT, µεταφέρεται στο εσωτερικό της κατασκευής µε τη µορφή εγκάρσιων (διατµητικών) κυµάτων. Σε ένα κρίσιµο βάθος Η eff από τη διεπιεφάνεια PZT-Κατασκευής, το πεδίο µετατοπίσεων µηδενίζεται λόγωτηςαπόσβεσηςτουυλικού(n st ). [2.2]. Providakis C.P.and Liarakos E.V., Web based concrete strengthening monitoring using an innovative EMI telemetric system and extreme values statistics. Struct. Control Health Monit. 27 /105

28 2. Πιεζοηλεκτρικά υλικά και Ηλεκτρο-ΜΗχανικά Συστήµατα(ΗΜΗΣ) Μηχανική σύζευξη PZT-Κατασκευής Ηλεκτρο-Μηχανικό Σύστηµα Σκυροδέµατος. ιατµητική Μηχανική Εµπέδηση: Αρµονική ιέγερση Z st = T 31 y iωu = 0 St 1 A y eff 3 = 3 = 0 K κ St sh iω tan ( κ H ) s eff eff Στατική υσκαµψία: Μιγαδικό Μέτρο ιάτµησης: K G St St = A eff = G St G St / H ( 1+ in ) St eff κ =ω s ρ / G St [2.2]. Providakis C.P.and Liarakos E.V., Web based concrete strengthening monitoring using an innovative EMI telemetric system and extreme values statistics. Struct. Control Health Monit. 28 /105

29 2. Πιεζοηλεκτρικά υλικά και Ηλεκτρο-ΜΗχανικά Συστήµατα(ΗΜΗΣ) Μηχανική σύζευξη PZT-Κατασκευής Ηλεκτρο-Μηχανικό Σύστηµα Σκυροδέµατος. ιατµητική Μηχανική Εµπέδηση: Το παρόν αναλυτικό µοντέλο προσοµοιώνει την µηχανική απόκριση της φέρουσας κατασκευής σκυροδέµατος µε ένα ισοδύναµο µονοβάθµιο συνεχές σύστηµα, διατµητικής λειτουργίας. Αποδεικνύει την ισχυρή συσχέτιση της µηχανικής απόκρισης µιας κατασκευής µε την γεωµετρία και τις µηχανικές ιδιότητες του σκυροδέµατος(κρίσιµοβάθος Η eff,μέτρο ιάτµησης G St ) Με βάση το συγκεκριµένο µονοβάθµιο σύστηµα, στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής, αναπτύχθηκε µια µεθοδολογία προσοµοίωση της µηχανικής απόκρισης της κατασκευής, από πολυβάθµια συστήµατα διατµητικών µηχανικών εµπεδήσεων. 29 /105

30 3. Η µέθοδος της Ηλεκτρο-Μηχανικής Εµπέδησης (HME) 30 /105

31 3. Η µέθοδος της Ηλεκτρο-Μηχανικής Εµπέδησης(HME) Βασικές αρχές εφαρµογής στον ΜΚΕ Η µέθοδος ΗΜΕ αποτελεί την πιο διαδεδοµένη διαδικασία ΜΚΕ κατασκευών µε τη χρήση επιθεµάτων PZT [3.1]. Τα επιθέµατα PZT προσαρµόζονται στην υπό παρακολούθηση κατασκευή και διεγείρονται από µια χρονικά µεταβαλλόµενη, συνήθως αρµονική, ηλεκτρική τάση. Το µέγεθος παρατήρησης είναι το φάσµα απόκρισης της Ηλεκτρικής Εµπέδησης ενός ή περισσότερων επιθεµάτων PZT, σε ένα συγκεκριµένο εύρος συχνοτήτων. Στις συνήθεις εφαρµογές το εύρος των συχνοτήτων καταγραφής κυµαίνεται µεταξύ 10 και 400 khz [3.1]. [3.1.].Providakis C.P. andliarakos E.V., T-WiEYE: An early-age concrete strength development monitoring and miniaturized wireless impedance sensing system. Engineering Procedia. 31 /105

32 3. Η µέθοδος της Ηλεκτρο-Μηχανικής Εµπέδησης(HME) Βασικές αρχές εφαρµογής στον ΜΚΕ Οι διατάξεις παρατήρησης/καταγραφής της ΗΜΕ αξιοποιούν το ευθύ και το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόµενο ταυτόχρονα. Τα πιεζοηλεκτρικά επιθέµατα λειτουργούν τόσο ως αισθητήρες µηχανικών κυµάτων όσο και ως διεγέρτες µηχανικών ταλαντώσεων(αισθητήρες/ ιεγέρτες Α/ ). Ηλεκτρική Τάση ιέγερσης PZT Μηχανική Παραµόρφωση οµικό σύστηµα Αντίστροφο Αντίστροφο Ευθύ Ευθύ Ολοκληρωµένο σύστηµα καταγραφής ΗΜΕ Ηλεκτρικό Ρεύµα Απόκρισης Μηχανική Τάση απόκρισης 32 /105

33 3. Η µέθοδος της Ηλεκτρο-Μηχανικής Εµπέδησης(HME) Βασικές αρχές εφαρµογής στον ΜΚΕ Ηλεκτρική απόκριση στο πεδίο των συχνοτήτων Y (Φάσµα Απόκρισης ΗΜΕ), ενός επιθέµατος PZT το οποίο βρίσκεται ενσωµατωµένο σε µια κατασκευή σκυροδέµατος. I. Είναι µοναδική και αποτελεί την Ηλεκτρο-Μηχανική Υπογραφή(ΗΜΥ) του ΗΜΗΣ. II. Εξαρτάται σηµαντικά, ως προς τη µορφή του φάσµατος, από τα ηλεκτρο-µηχανικά χαρακτηριστικά του PZT, αλλά και τις µηχανικές και γεωµετρικές ιδιότητες της υπό παρακολούθηση κατασκευής(ζ St ). 2d Y 2 2 E E l 31 Ζ fix 2Y h 3 = iω + Y, Z =, Ζ = h 12 a St 12 κ H α St 3 a St ( 1 v ) Ζ +Ζ iω( 1 v ) iω tan( κ H ) K s s eff 33 /105 eff

34 3. Η µέθοδος της Ηλεκτρο-Μηχανικής Εµπέδησης(HME) Βασικές αρχές εφαρµογής στον ΜΚΕ Οποιαδήποτε µεταβολή στα µηχανικά χαρακτηριστικά της κατασκευής, λόγω µηχανικής βλάβης ή διαφοροποίησης των µηχανικών ιδιοτήτων, επιδρά άµεσα στη µορφή του φάσµατος απόκρισης της ΗΜΕ. Κατασκευή µε µηχανική Βλάβη οµικά «υγιής» κατασκευή Αριθµητική επίλυση δοκού σκυροδέµατος µε ενσωµατωµένο PZT, στο πεδίο των συχνοτήτων (Frequency Response Analysis) [3.2]. Κατανοµή µετατοπίσεων στη συχνότητα 60 khz. PZT Επίπεδα Μηχανικής Συµµετρίας Ρωγµή [3.2]. Providakis CP, Liarakos EV and VoutetakiM, Damage detection in concrete components using PZT actuators/sensors and extreme value statistics.9th HSTAM Congress in Mechanics.

35 3. Η µέθοδος της Ηλεκτρο-Μηχανικής Εµπέδησης(HME) Ενόργανη καταγραφή ΗΜΕ: ιατάξεις Ολοκληρωµένα συστήµατα καταγραφής της Ηλεκτρική Εµπέδησης(RLC-Meters) απευθείας στο πεδίο της συχνότητας. Υψηλή ακρίβεια, Μεγάλο εύρος συχνοτήτων σάρωσης(1khz-5mhz) Υψηλό κόστος Χαµηλή ευελιξία σε εφαρµογές εκτός εργαστηρίου Απλές ηλεκτρικές διατάξεις µέτρησης της ηλεκτρικής απόκρισης των Ηλεκτρο-Μηχανικών Συστηµάτων. Ικανοποιητική ακρίβεια µόνο σε συγκεκριµένα εύρη συχνοτήτων Χαµηλού κόστους κυκλώµατα ηλεκτρικών αντιστάσεων και πυκνωτών Χαµηλού κόστους ολοκληρωµένα κυκλώµατα µέτρησης της ηλεκτρικής εµπέδησης 35 /105

36 3. Η µέθοδος της Ηλεκτρο-Μηχανικής Εµπέδησης(HME) Ενόργανη καταγραφή ΗΜΕ: Αρχή λειτουργίας Καταγραφή V in και V out στο πεδίο του χρόνου µε συχνότητα δειγµατοληψίας F s =1/dt ιακριτός Μετασχηµατισµός Fourier Z 3 = V I p out = R meas FVin FV FV out out Υπολογισµός Φασµάτων Απόκρισης Fourier, FV in και FV out ( t) V p ( t) V out ιάταξη Ηλεκτρικών Αντιστάσεων, R meas V in ( t) ~ PZT Ρεύµα Απόκρισης I = out V R out meas 36 /105

37 3. Η µέθοδος της Ηλεκτρο-Μηχανικής Εµπέδησης(HME) Ενόργανη καταγραφή ΗΜΕ: Συναρτήσεις Ηλεκτρικής τάσης ιέγερσης, V in Αρµονικέςηλεκτρικέςτάσεις V in Σάρωσησυγκριµένουεύρουςσυχνοτήτων,[freq start, freq end ] Μονο-Αρµονικές συναρτήσεις. ιαδοχικές διακριτές διεγέρσεις µε απλές ηµιτονοειδείς συναρτήσεις διαφορετικών συχνοτήτων(single Sine Signals). Πολύ-αρµονικές συναρτήσεις. Συνεχής διέγερση για ένα συγκεκριµένοχρονικόδιάστηµα(t sweep ). Άθροισµα µονο-αρµονικών συναρτήσεων διαφορετικών συχνοτήτων(multi-sine Signals) Τριγωνοµετρικές συναρτήσεις χρονικά µεταβαλλόµενης συχνότητας(chirp Signals) 37 /105

38 3. Η µέθοδος της Ηλεκτρο-Μηχανικής Εµπέδησης(HME) Ενόργανη καταγραφή ΗΜΕ:Προσαρµογή ηλεκτροδίων στους ακροδέκτες ενός PZT Ελεύθερο µηχανικά PZT, τύπου PIC 151. Θερµική συγκόλληση ηλεκτροδίων µε κράµα κασσίτερου. Θερµοκρασία συγκόλλησης µικρότερη της θερµοκρασίας Curie. 38 /105

39 3. Η µέθοδος της Ηλεκτρο-Μηχανικής Εµπέδησης(HME) Ενόργανη καταγραφή ΗΜΕ:Εργαστηριακές Μετρήσειςµε RLC-Meter Ελεύθερο µηχανικά PZT, τύπου PIC 151. Εύρος συχνοτήτων khz, 5 ιαφορετικά PZT. Απόκριση PZT πριν την προσαρµογή των ηλεκτροδίων

40 3. Η µέθοδος της Ηλεκτρο-Μηχανικής Εµπέδησης(HME) Ενόργανη καταγραφή ΗΜΕ:Εργαστηριακές Μετρήσειςµε RLC-Meter PZT επιφανειακά προσαρµοσµένο σε κυβικό δοκίµιο σκυροδέµατος(μήκος Ακµής 150 mm). 40 /105

41 3. Η µέθοδος της Ηλεκτρο-Μηχανικής Εµπέδησης(HME) Προσδιορισµός της µηχανικής εµπέδησης Ζ St, της υπό παρακολούθηση κατασκευής Το φάσµα απόκρισης της µηχανικής εµπέδησης µιας κατασκευής Ζ St,είναιδυνατόναυπολογιστείµεβάση: Τα ηλεκτροµηχανικά χαρακτηριστικά του PZT To πειραµατικώς καταγραφόµενο φάσµα απόκρισης της ΗΜΕ, Ζ meas 3 Ζ St = Ζ α 2 l iω h ( 1 v ) 12 2d 2 31 Y 1 Z E meas 3 Y fix 3 1, Z a = 2Y iω E h ( 1 v ) /105

42 3. Η µέθοδος της Ηλεκτρο-Μηχανικής Εµπέδησης(HME) Προσδιορισµός της µηχανικής εµπέδησης Ζ St, της υπό παρακολούθηση κατασκευής Το φάσµα απόκρισης της Μηχανικής Εµπέδησης (DMI) Z St, σε αρκετές περιπτώσεις ΜΚΕ σκυροδέµατος, αποκαλύπτει ή ενισχύει πληροφορίες σχετικά µε τα δυναµικά χαρακτηριστικά της κατασκευής. Συχνότητες / Κορυφές Μηχανικού Συντονισµού 42 /105

43 4. Αξιολόγηση δοµικής ακεραιότητας κατασκευών σκυροδέµατος 43 /105

44 4. Αξιολόγηση δοµικής ακεραιότητας κατασκευών σκυροδέµατος Συγκριτική ανάλυση των φασµάτων απόκρισης Για την αξιολόγηση της δοµικής ακεραιότητας µιας [4.1]. Providakis CP, Liarakos EV and E. Kampianakis, Nondestructive Wireless Monitoring of Early-Age Concrete Strength Gain Using an Innovative Electromechanical Impedance Sensing System. Smart Materials Research κατασκευής µε την µέθοδο ΗΜΕ, αξιοποιείται ως εργαλείο παρατήρησης το φάσµα απόκρισης τηςηλεκτρικής(ζ 3 ) ή της µηχανικής εµπέδησης (Ζ St ) και πιο συγκεκριµένα τα πραγµατικάµέρηαυτών, R 3 και R St [4.1]. Η αξιολόγηση αποτελεί µια διαδικασία συγκριτικής ανάλυσης µεταξύ ενός φάσµατος αναφοράς RS (Reference Signature) και κάθε άλλου φάσµατος απόκρισης CS (Current Signature), το οποίο αντιπροσωπεύει την τρέχουσα κατάσταση δοµικής«υγείας» της κατασκευής. 44 /105

45 4. Αξιολόγηση δοµικής ακεραιότητας κατασκευών σκυροδέµατος Συγκριτική ανάλυση των φασµάτων απόκρισης Το φάσµα αναφοράς RS, αντιστοιχεί: Στη απόκριση της δοµικά«υγιούς» κατασκευής. Αξιολόγηση της δοµικής ακεραιότητας. Σε κάποια κατάσταση αναφοράς, σε σχέση µε τις µηχανικές ιδιότητες του σκυροδέµατος. Παρακολούθηση του πρώιµου σκυροδέµατος. Προσδιορίζεται: Πειραµατικά. Ενόργανη καταγραφή της ηλεκτρικής απόκρισης. Φάσµααπόκρισης RS meas : F Ζεύγη τιµών (ω i, Z 3,i meas ), i=1:f Προσεγγιστικά. Προσοµοίωση της απόκρισης του ΗΜΗΣ µε κατάλληλα µαθηµατικά µοντέλα. Z 3,i meas Z 3 est (ω i, p), i=1:f,p: ιάνυσµα παραµέτρων µοντέλου 45 /105

46 4. Αξιολόγηση δοµικής ακεραιότητας κατασκευών σκυροδέµατος Στατιστικοί είκτες βλάβης Μέτρα διαφοροποίησης τα οποία στηρίζονται στον υπολογισµό της αθροιστικής απόκλισης, µεταξύ του RS και κάθε άλλου φάσµατος απόκρισης CS, το οποίο αντιστοιχεί στη τρέχουσα κατάσταση δοµικής«υγείας» της κατασκευής. RootMeanSquareDeviation - RMSD RMSD (%) 100 F i= 1 = F ( CS RS ) i= 1 i RS 2 i i 2 ω = ω i min + i F 1 1 ( ω ω ) max min i=1:f, F το µέγεθος του διανύσµατος τιµών κάθε φάσµατος απόκρισης. RS i και CS i, η iκαταγραφόµενητιµή κάθε φάσµατος, η οποία αντιστοιχεί στη γωνιακή συχνότητα ω i. 46 /105

47 4. Αξιολόγηση δοµικής ακεραιότητας κατασκευών σκυροδέµατος Στατιστικοί είκτες βλάβης Πλεονεκτήµατα Σηµαντικά διαδεδοµένοι στο ΜΚΕ κατασκευών µε τη µέθοδο της ΗΜΕ. Χρηστική Ευελιξία: Χαµηλή µαθηµατική πολυπλοκότητα. Μεγάλη αξιοπιστία, στις περιπτώσεις παρακολούθησης της διαδικασίας σκλήρυνσης και ωρίµανσης του πρώιµου σκυροδέµατος. Μειονεκτήµατα Αδυναµία εστίασης σε τοπικές µεταβολές των φασµάτων ΗΜΕ οι οποίες δύναται να αντιπροσωπεύουν σοβαρές βλάβες. υσκολία προσδιορισµού ορίων εµπιστοσύνης, εντός των οποίων θα πρέπει να κυµαίνονται οι διαφορές των διαδοχικά καταγραφόµενων φασµάτων αναφοράς(rs). 47 /105

48 4. Αξιολόγηση δοµικής ακεραιότητας κατασκευών σκυροδέµατος Στατιστικός έλεγχος Στόχος: Αποφυγή σφάλµατος στην αξιολόγηση της δοµικής ακεραιότητας µιας κατασκευής. Σφάλµα τύπου Ι: Ψευδής ανίχνευση µηχανικής βλάβης Σφάλµα τύπου ΙΙ: Αποτυχία ανίχνευσης υπαρκτής µηχανικής βλάβης ιατύπωση ενός µέτρου διαφοροποίησης των φασµάτων απόκρισης, µε βάση τη προσοµοίωση της απόκρισης του «υγιούς» δοµικού συστήµατος. Προσδιορισµός των ορίων εµπιστοσύνης, µέσα στα οποία είναι απαραίτητο να κινείται το µέγεθος διαφοροποίησης των φασµάτων απόκρισης της«υγιούς» κατασκευής. 48 /105

49 4. Αξιολόγηση δοµικής ακεραιότητας κατασκευών σκυροδέµατος Στατιστικός έλεγχος: Μεθοδολογία Προσοµοίωση τωνµετρούµενων φασµάτων αναφοράς RS meas, της «υγιούς» κατασκευής, από ένα µαθηµατικό µοντέλο εκτίµησης RS est. Μη γραµµικές συναρτήσεις παλινδρόµησης. Ρητά πολυώνυµα της γωνιακής συχνότητας ω, µε µιγαδικούς συντελεστές. Μαθηµατικά µοντέλα τα οποία προκύπτουν από τη προσέγγιση της πραγµατικής κατασκευής, από ισοδύναµα δυναµικά συστήµατα. Υπολογισµός των υπολοίπων (Residuals) r, προσοµοίωσης, µεταξύ του εκτιµώµενου φάσµατος αναφοράς RS est και του κάθε πειραµατικώςκαταγραφόµενουφάσµατος CS meas. r = CS meas RS est 49 /105

50 4. Αξιολόγηση δοµικής ακεραιότητας κατασκευών σκυροδέµατος Στατιστικός έλεγχος: Μεθοδολογία Μέτρο διαφοροποίησης φασµάτων: O αριθµός των υπολοίπων Ν out, πουθέτονταιεκτόςτωνορίωνεµπιστοσύνης. Τα όρια εµπιστοσύνης των υπολοίπων προσδιορίζονται από τη στατιστική ανάλυση των υπολοίπων αναφοράς r 0, λαµβάνοντας υπόψη συγκριµένα επίπεδα βεβαιότητας. Κανονική Κατανοµή (Normal Distribution) Γενικευµένη Κατανοµή των Ακραίων τιµών (Generalized Extreme Values GEV) = RS meas RS Όρια εµπιστοσύνης: Υπολογισµός της θεωρητικής Συνάρτησης Αθροιστικής Πιθανότητας-CDF, για την αντίστοιχη κατανοµή που εφαρµόζεται. r 0 est 50 /105

51 4. Αξιολόγηση δοµικής ακεραιότητας κατασκευών σκυροδέµατος Στατιστικός έλεγχος: Όρια εµπιστοσύνης Επιτρεπόµενος αριθµός υπολοίπων εκτός ορίων: Επίπεδο βεβαιότητας(%)=(p up -P low )x100 P up N 0 out { 1 ( P P )} 100 = F up low F:µέγεθος διανύσµατος καταγραφόµενου RS: (ω i, RS i meas ), i=1:f Θεωρητική Κατανοµή CDF Πειραµατική Κατανοµή P low Μέση Τιµή Lr 0 Ur 0 = CDF = CDF 1 1 ( P ) low ( P ) up Κάτω όριο εµπιστοσύνης, Lr 0 Υπόλοιπα Αναφοράς r 0 Άνω όριο εµπιστοσύνης, Ur 0 51 /105

52 4. Αξιολόγηση δοµικής ακεραιότητας κατασκευών σκυροδέµατος Στατιστικός έλεγχος: Αξιολόγηση φασµάτων Μεταβολή στη δοµική ακεραιότητα της κατασκευής ή τις µηχανικές ιδιότητες του σκυροδέµατος. 0 N out > N out Ν out : O αριθµός των υπολοίπων του φάσµατος CS meas, που βρίσκονται εκτός των ορίων εµπιστοσύνης(outliers). Πάνω όριο εµπιστοσύνης, Ur 0 Κατασκευή µε µηχανική Βλάβη Βεβαιότητα: 99% P low =0.005 ή 0.5 % r d =r-e[r] Κάτω όριο εµπιστοσύνης, Lr 0 οµικά «υγιής» κατασκευή P up =0.995 ή 99.5 % Ν out0 = 1 N out =68 F=105 E[r]: Μέση τιµή υπολοίπων Συχνότητα (khz) 52 /105

53 4. Αξιολόγηση δοµικής ακεραιότητας κατασκευών σκυροδέµατος Στατιστικός έλεγχος Υπολοίπων: ιάγραµµα Ροής Πειραµατική Καταγραφή RS meas Πειραµατική Καταγραφή CS meas Προσοµοίωση του RS meas και υπολογισµός του RS est Υπολογισµός υπολοίπων του CS meas : r=cs meas - RS est Υπολογισµός των υπολοίπων αναφοράς: r 0 =RS meas - RS est Μηδενισµός της µέσης τιµής των υπολοίπωναναφοράς : r 0d =r 0 -E[r 0 ] Μηδενισµός της µέσης τιµής των υπολοίπων του CS meas : r d =r-e[r] Έλεγχος συµµόρφωσης των r d µε τα όρια εµπιστοσύνης Lr 0d και Ur d 0 Προσδιορισµόςτου κατώτερου Lr d 0 =CDF -1 (P out ) και του ανώτερου Ur d 0 =CDF -1 (1-P out ), ορίου εµπιστοσύνης του διανύσµατος r 0d. Αξιολόγηση δοµικής ακεραιότητας της κατασκευής Υπολογισµός του αριθµού των τιµών r d εκτός ελέγχου (Outliers), Ν out Προσδιορισµός του εύρους συχνοτήτων µε τιµές r d εκτός ελέγχου

54 4. Αξιολόγηση δοµικής ακεραιότητας κατασκευών σκυροδέµατος Προσοµοίωση του φάσµατος αναφοράς της δοµικά «υγιούς»κατασκευής:ηλεκτρό-μηχανικήεµπέδηση, Ζ 3 ΗµετρούµενηΗΜΕ Ζ meas 3,είναιδυνατόνα προσοµοιωθείαπό µιαρητή πολυωνυµικήσυνάρτηση τηςγωνιακήςσυχνότητας, Ζ est 3 (ω,p)[4.2]. ( ω, ) + r i 1: F meas meas meas est Z3, i = R3, i + ix 3, i = Z3 i p i = Z est 3 ( ω p) N ( ωi, b) ( ω, a) no+ 1 p= 1 i, = = do+ 1 D i q= 1 b a p 1 q 1 ω ω p 1 i q 1 i p ( no+ do+ 2 1) = [ a a a b b L b ] T 0 1 L do 0 1 [4.2]. Providakis C.P.and Liarakos E.V., Web based concrete strengthening monitoring using an innovative EMI telemetric system and extreme values statistics. Struct. Control Health Monit. no 54 /105

55 4. Αξιολόγηση δοµικής ακεραιότητας κατασκευών σκυροδέµατος Προσοµοίωση του φάσµατος αναφοράς της δοµικά «υγιούς»κατασκευής:ηλεκτρό-μηχανικήεµπέδηση, Ζ 3 Οι τιµές του διανύσµατος p προσδιορίζονται από την ελαχιστοποίηση του αθροίσµατος των τετραγώνων της διαφοράς, µεταξύ µετρούµενου και εκτιµώµενου φάσµατος απόκρισης (Μέθοδος Ελαχίστων Τετραγώνων-MTE). min Το συγκεκριµένο πρόβληµα, λόγω της φύσης της συνάρτησης παλινδρόµησης, αποτελεί ένα µη γραµµικό πρόβληµα ελαχίστων τετραγώνων και είναι δυνατό να επιλυθεί µε τη χρήση της συνάρτησης lsqnonlin, του πακέτου εργαλείων Βελτιστοποίησης (Optimization Toolbox) του MATLAB. p F meas est 2 { Z3, Z ( i )} = i 3 ω, p min i= 1 p F i= 1 r 2 i 55 /105

56 4. Αξιολόγηση δοµικής ακεραιότητας κατασκευών σκυροδέµατος Προσοµοίωση του φάσµατος αναφοράς της δοµικά «υγιούς»κατασκευής:ηλεκτρό-μηχανικήεµπέδηση, Ζ 3 Σύνολο Παραµέτρων µοντέλου: no+do+2=21 Μιγαδικοί Αριθµοί Αντίσταση R 3 (ohm) Ζ 3 meas Ζ 3 est Fit R =99.72(%) Άεργη Αντίσταση Χ 3 (ohm) Fit X =99.97(%) no=9 do=10 F=105 F 1 Fit x = 1 F j= 1 x est x x meas meas /105

57 4. Αξιολόγηση δοµικής ακεραιότητας κατασκευών σκυροδέµατος Προσοµοίωση του φάσµατος αναφοράς της δοµικά «υγιούς»κατασκευής:μηχανικήεµπέδηση, Ζ St Μέθοδος των Πολλαπλών Μηχανικών Εµπεδήσεων MIS (multi Mechanical Impedance System) Η µηχανική απόκριση της κατασκευής, είναι δυνατό να προσοµοιωθεί από ένα ισοδύναµο διακριτό σύστηµα µονοβάθµιων διατµητικών µηχανικών εµπεδήσεων Ζ st j, συνδεδεµένων µεταξύ τους παράλληλα. M Z St = Z j st j= 0 57 /105

58 4. Αξιολόγηση δοµικής ακεραιότητας κατασκευών σκυροδέµατος Προσοµοίωση του φάσµατος αναφοράς της δοµικά «υγιούς»κατασκευής:μηχανικήεµπέδηση, Ζ St Συνάρτηση απόκρισης του ισοδύναµου δυναµικού συστήµατος. Z St ( ω, p) p= = Z st 0 + M j= 1 Z st j = st K0 + iω 1 iω M j= 1 A tan eff j κ ( eff κ H ) s, j s, j st eff eff eff eff st st [ K A A H L H n L n ] 0 1 L M 1 M 1 M G j St, j G κ St, j s, j freq 0 j = G = ω St ρ st ( 1+ in ) St 1 = 2H eff j / G j St, j G ρ St St Το πειραµατικό φάσµα απόκρισης της µηχανικής εµπέδησης Ζ St meas,προκύπτειαπότηµετρούµενηηλεκτρική Ζ 3 meas. 2 E 2 d Y meas l 2 31 ΖSt, i =Ζα, i iωi 1, j = 1: F h 1 fix ( 1 v12) Y meas 3 Z 3, i 58 /105

59 4. Αξιολόγηση δοµικής ακεραιότητας κατασκευών σκυροδέµατος Προσοµοίωση του φάσµατος αναφοράς της δοµικά «υγιούς»κατασκευής:μηχανικήεµπέδηση, Ζ St Οι βέλτιστες τιµές του διανύσµατος p προσδιορίζονται από την ελαχιστοποίηση του αθροίσµατος των τετραγώνων της διαφοράς, µεταξύ µετρούµενου και εκτιµώµενου φάσµατος απόκρισης (Μη Γραµµικά Ελάχιστα Τετράγωνα µε περιορισµούς, lsqnonlin- ΜΑΤLAB). p= min p F i= 1 [ { } { ( )} ] meas est Re Z Re Z ω, p St, i subject to p> 0 n st j St < 1 [ ] st eff eff eff eff st st K A A H L H n L n 0 1 L M 1 M 1 i 2 M

60 4. Αξιολόγηση δοµικής ακεραιότητας κατασκευών σκυροδέµατος Προσοµοίωση του φάσµατος αναφοράς της δοµικά «υγιούς»κατασκευής:μηχανικήεµπέδηση, Ζ St Σύνολο Παραµέτρων µοντέλου: 15 freq 0,j (khz) H eff,j (mm) A eff,j (mm 2 ) n st,j E E E E E G St, j = G St st ( 1+ in ) j κ s, j freq = ω 0 j ρ St 1 = 2H eff j / G St, j G ρ St St 60 /105

61 4. Αξιολόγηση δοµικής ακεραιότητας κατασκευών σκυροδέµατος Προσοµοίωση του φάσµατος αναφοράς της δοµικά «υγιούς»κατασκευής:μηχανικήεµπέδηση, Ζ St Πλεονεκτήµατα σε σχέση µε τη µη γραµµική παλινδρόµηση Σηµαντικά µικρότερος αριθµός παραµέτρων προσοµοίωσης. Οι παράµετροι της προσοµοίωσης έχουν φυσική σηµασία και σχετίζονται µε τα δυναµικά χαρακτηριστικά της κατασκευής. Υπολογισµός των συχνοτήτων συντονισµού της κατασκευής. Εκτίµηση της δυναµικής απόκρισης της κατασκευής σε συχνότητες εκτός του εύρους των συχνοτήτων καταγραφής. Περιορισµοί στις κατασκευές από σκυρόδεµα Το σκυρόδεµα είναι αναγκαίο να έχει αποκτήσει στοιχειώδη δυσκαµψία (τουλάχιστον 24 ώρες µετά τη σκυροδέτηση), προκειµένου να έχουν φυσική σηµασία οι παράµετροι του µοντέλου. 61 /105

62 5. Ανάπτυξη ολοκληρωµένου ασύρµατου συστήµατος καταγραφής και αποθήκευσης της HME 62 /105

63 5. Ανάπτυξη ολοκληρωµένου ασύρµατου συστήµατος καταγραφής και αποθήκευσης της HME Στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής αναπτύχθηκε το ολοκληρωµένο σύστηµα ΜΚΕ T-WiEYE (Teflon-based Wireless intergrated monitoring SYstEm), το οποίο συνδυάζει[5.1]: Πιεζοηλεκτρικούς αισθητήρες. PZT PIC151(PICeramicsInc.) Εµφύτευση στη µάζα του σκυροδέµατος κατά τη παρασκευή του. «Ευφυή» Αδρανή υλικά(smart Agreggates-SMA). Κέλυφος από Teflon. Προστασία του PZT από Υγρασία, Συστολή- ιαστολή Σκυροδέµατος, Μηχανική Καταπόνιση. Ασύρµατη επικοινωνία SMA Συστήµατος Καταγραφής και Αποθήκευσης εδοµένων. [5.1]. Providakis C.P.and Liarakos E.V., Web based concrete strengthening monitoring using an innovative EMI telemetric system and extreme values statistics. Struct. Control Health Monit. 63 /105

64 5. Ανάπτυξη ολοκληρωµένου ασύρµατου συστήµατος καταγραφής και αποθήκευσης της HME Στο πλαίσιο της παρούσας διατριβής αναπτύχθηκε το ολοκληρωµένο σύστηµα ΜΚΕ T-WiEYE (Teflon-based Wireless intergrated monitoring SYstEm), το οποίο συνδυάζει[5.1]: Το χαµηλού κόστους ολοκληρωµένο κύκλωµα µέτρησης της ΗΜΕ στο πεδίο των συχνοτήτων, AD5933(Analog Devices). υνατότητα µόνιµης εγκατάσταση στο χώρο της κατασκευής. Ολοκληρωµένη διαχείριση δεδοµένων των φασµάτων απόκρισης ΗΜΕ. Βάση δεδοµένων(mysql) ιασύνδεση MySQL MATLAB. Αποµακρυσµένη ανάκτηση και µετα-επεξεργασία δεδοµένων ΗΜΕ(Στατιστικός Έλεγχος). 64 /105

65 5. Ανάπτυξη ολοκληρωµένου ασύρµατου συστήµατος καταγραφής και αποθήκευσης της HME Σύστηµα T-WiEYE ιάγραµµα Ροής Λειτουργιών CliC: Client Computer SerCo: Server Computer UC: User Computer Σκυρόδεµα SMA AD5933 EB Μέτρηση Καταγραφή ΗΜΕ V in V out Σύνδεση USB Wi-Fi Server Hub Μετάδοση εδοµένων Καταγραφόµενης ΗΜΕ Wi-Fi Client Hub CliC Τροποποιηµένο Λογισµικό ιαχείρισης AD5933 Προσωρινή Αποθήκευση εδοµένων ΗΜΕ Αποστολή εδοµένων ΗΜΕ στο SerCo Σύνδεση USB ιαδίκτυο Προσπέλαση/Ανάκτηση εδοµένων µέσω MySQL-MATLAB Εγγραφή δεδοµένων ΗΜΕ στη Βάση εδοµένων (MySQL) UC ιαδίκτυο SerCo 65 /105

66 5. Ανάπτυξη ολοκληρωµένου ασύρµατου συστήµατος καταγραφής και αποθήκευσης της HME Σύστηµα T-WiEYE ιάγραµµα Ροής Λειτουργιών CliC: Client Computer SerCo: Server Computer UC: User Computer CliC: Client Computer. ιαχείριση συστηµάτων µέτρησης της ΗΜΕ(AD5933). Στο χώρο της κατασκευής και εντός της εµβέλειας του Wi-Fi. Σύνδεση µέσω διαδικτύου ή τοπικού δικτύου µε το SerCo. SerCo CliC Τροποποιηµένο Λογισµικό ιαχείρισης AD5933 Προσωρινή Αποθήκευση εδοµένων ΗΜΕ Αποστολή εδοµένων ΗΜΕ στο SerCo ιαδίκτυο Εγγραφή δεδοµένων ΗΜΕ στη Βάση εδοµένων (MySQL) UC Προσπέλαση/Ανάκτηση εδοµένων µέσω MySQL-MATLAB ιαδίκτυο 66 /105

67 5. Ανάπτυξη ολοκληρωµένου ασύρµατου συστήµατος καταγραφής και αποθήκευσης της HME Σύστηµα T-WiEYE ιάγραµµα Ροής Λειτουργιών CliC: Client Computer SerCo: Server Computer UC: User Computer ιασύνδεση λειτουργιών MySQL MATLAB. UC: Αποµακρυσµένος Χρήστης 67 /105

68 5. Ανάπτυξη ολοκληρωµένου ασύρµατου συστήµατος καταγραφής και αποθήκευσης της HME Σύστηµα T-WiEYE ιάγραµµα Ροής Λειτουργιών PCB: AD5933 Evaluation Board (Analog Devices). Ολοκληρωµένο κύκλωµα µέτρησης της ΗΜΕ. C41: Αντίσταση Βαθµονόµησης (Calibration Resistor). R2: Αντίσταση ανατροφοδότησης (Feedback Resistor). Ακρίβεια µέτρησης ΗΜΕ 99.5 %. Εύρος συχνοτήτων: khz: Καµία ιόρθωση khz: Απλή γραµµική διόρθωση 68 /105

69 5. Ανάπτυξη ολοκληρωµένου ασύρµατου συστήµατος καταγραφής και αποθήκευσης της HME Σύστηµα T-WiEYE Ευφυές αδρανές µε βάση το Teflon-TBSA(Teflon Based Smart Aggregate) Σχεδιασµός και κατασκευή κατάλληλα διαµορφωµένου κελύφους από Teflon. Προσαρµογή επιθέµατος PZT, Ηλεκτρόδια διαστάσεων 10x10x0.2mm, στο Θήκη Teflon Επίθεµα PZT εσωτερικό του κελύφους. Προσθήκη ηλεκτροδίων στους ακροδέκτες του PZT, για τη διασύνδεση του µε το AD5933 ΕΒ. 69 /105

70 5. Ανάπτυξη ολοκληρωµένου ασύρµατου συστήµατος καταγραφής και αποθήκευσης της HME Σύστηµα T-WiEYE Ευφυές αδρανές µε βάση το Teflon-TBSA(Teflon Based Smart Aggregate) Προσαρµογή ατσάλινων κοχλιών στη θήκη Teflon για τη διασφάλιση της επαρκούς συνάφειας µεταξύ TBSA και σκυροδέµατος. Η επαρκής συνάφεια συντελεί στην αύξηση της µηχανικής αγωγιµότητας Ατσάλινοι κοχλίες για την αγκύρωσητου TBSA και τη διαβίβαση των µηχανικών κυµάτων στο εσωτερικό του σκυροδέµατος, µε τις µικρότερες δυνατές απώλειες ενέργειας. 70 /105

71 5. Ανάπτυξη ολοκληρωµένου ασύρµατου συστήµατος καταγραφής και αποθήκευσης της HME Σύστηµα T-WiEYE Ευφυές αδρανές µε βάση το Teflon-TBSA(Teflon Based Smart Aggregate) Καινοτοµία: Κέλυφος από Teflon. Επαρκής µηχανική αντοχή και χηµική αδράνεια σε σχέση µε τα υπόλοιπα συστατικά του σκυροδέµατος. Αγκύρωση στη µάζα του σκυροδέµατος. υνατότητα πρόσβασης στο πιεζοηλεκτρικό επίθεµα, για τυχόν επιδιορθώσεις στις συγκολλήσεις των ηλεκτροδίων. υνατότητα ανάκτησης του TBSA στις περιπτώσεις παρακολούθησης δοκιµίων σκυροδέµατος. 71 /105

72 6. Εφαρµογές σε δοµικά στοιχεία σκυροδέµατος 72 /105

73 6. Εφαρµογές σε δοµικά στοιχεία σκυροδέµατος οµικά στοιχεία σκυροδέµατος εργαστηριακής κλίµακας Παρακολούθηση των διεργασιών: Ενυδάτωσης του πολύ πρώιµου σκυροδέµατος, ηλικίας µέχρι 48 ωρών. Ανάπτυξης της δυσκαµψίας του πρώιµου σκυροδέµατος µέχρι και τις 28 πρώτες ηµέρες. Παρακολούθηση της ανάπτυξης µηχανικών βλαβών (ρωγµές) σε θλιβόµενο κυβικό δοκίµιο σκυροδέµατος. Παρακολούθηση της ανάπτυξης µηχανικών βλαβών (ρωγµές) σε καµπτόµενη δοκό σκυροδέµατος. 73 /105

74 6. Εφαρµογές σε δοµικά στοιχεία σκυροδέµατος Μηχανικά χαρακτηριστικά και ποιότητα σκυροδέµατος Εργαστηριακό σκυρόδεµα(χωρίς χηµικά πρόσµικτα) C20/25. Σύσταση(kg/m³): Χαλίκι(d g >25mm):850 ΜεσαίουΜεγέθουςΑδρανή(2.5mm< d g <9.5mm):450 Άµµος(d g <2.5mm):550 Τσιµέντο, CEM II/A-M 42.5 N: 310 N/T= 0.65 d g :ΜέγεθοςΚόκκου Ακµή οκιµίου Θλίψης: 150mm Θεωρητική Πυκνότητα: 2360 kg/m³ Θεωρητικό Βάρος Κυβικού οκιµίου Θλίψης: 7.95 kg 74 /105

75 6. Εφαρµογές σε δοµικά στοιχεία σκυροδέµατος Μηχανικά χαρακτηριστικά και ποιότητα σκυροδέµατος Μελέτη ανάπτυξης αντοχής του σκυροδέµατος. οκιµέςθλίψηςσεηλικίες:1,2,3,5,7,14,20,28. CS1 CS2 CS3 f cm f cm 28 (MPa) cem E cm 28 (GPa) Μοντέλο ΕC2 [5.1]: ( t) 28 = f cm exp cem 1 t f cm E =.5 3 cm ae [5.1] BamforthP., Chisholm D., Gibbs J. andharissont., 2008.Properties of concrete for use in EuroCode2. Μοντέλο CEB-FIP: α e =0.9 (Ασβεστόλιθος) 75 /105

76 6. Εφαρµογές σε δοµικά στοιχεία σκυροδέµατος Παρακολούθηση πρώιµου σκυροδέµατος µε την Μέθοδο ΗΜE. 5 Κυβικά δοκίµια σκυροδέµατος. 3 από τη ίδια σκυροδέτηση( οκίµια C1-3) και 2 από διαφορετικές σκυροδετήσεις(c4, C5). Εµφυτευµένο TBSA 76 /105

77 6. Εφαρµογές σε δοµικά στοιχεία σκυροδέµατος Παρακολούθηση πρώιµου σκυροδέµατος µε την Μέθοδο ΗΜE. Σύστηµα T-WiEYE. Φάσµα απόκρισης: Πραγµατικό µέρος ΗΜΕ, R 3 (Αντίσταση- Resistance). Εύρος συχνοτήτων: khz Συνεχής καταγραφή φάσµατος R 3, ξεκινώντας 3 ώρες µετά τη σκυροδέτηση.ανά1ώρα,τιςπρώτες 192ώρες(8ηµέρες)καιανά1 ηµέρα,απότις9έωςτις28ηµέρες. Αξιολόγηση µεταβολής φασµάτων ΗΜΕ Φάσµααναφοράς RS:Απόκριση R 3,3ώρες µετάτησκυροδέτηση Μέτρο ιαφοροποίησης Φασµάτων: είκτης RMSD Μελέτη ρυθµού µεταβολής RMSD 77 /105

78 6. Εφαρµογές σε δοµικά στοιχεία σκυροδέµατος Παρακολούθηση πρώιµου σκυροδέµατος µε την Μέθοδο ΗΜE. οκίµιοc2:πραγµατικόμέροςημε(αντίσταση), R 3 =Re{Z 3 }. 78 /105

79 6. Εφαρµογές σε δοµικά στοιχεία σκυροδέµατος Παρακολούθηση πρώιµου σκυροδέµατος µε την Μέθοδο ΗΜE. οκίµιοc4:πραγµατικόμέροςημε(αντίσταση), R 3 =Re{Z 3 }. 79 /105

80 6. Εφαρµογές σε δοµικά στοιχεία σκυροδέµατος Παρακολούθηση πρώιµου σκυροδέµατος µε την Μέθοδο ΗΜE. οκίµιοc5:πραγµατικόμέροςημε(αντίσταση), R 3 =Re{Z 3 }. 80 /105

81 6. Εφαρµογές σε δοµικά στοιχεία σκυροδέµατος Παρακολούθηση πρώιµου σκυροδέµατος µε την Μέθοδο ΗΜE. Αξιολόγηση Φασµάτων: είκτης RMSD Οι τιµές του RMSD αυξάνονται συνεχώς µέχρι τις 120 ώρες (Ηλικία: 5 ηµέρες). Από τις 5 έως τις 14 ηµέρες κινούνται γύρω από µια µέση τιµή, 35-45% ανάλογα µε το δοκίµιο, µε ένα συγκεκριµένο εύρος διακύµανσης. Μετά τις 14 ηµέρες εµφανίζουν µια σχετική τάση σταθεροποίησης. 81 /105

82 6. Εφαρµογές σε δοµικά στοιχεία σκυροδέµατος Παρακολούθηση πρώιµου σκυροδέµατος µε την Μέθοδο ΗΜE. Σύγκριση RMSD µε το Μέτρο Ελαστικότητας Μοντέλο E cm,ευρωκώδικας2 [5.1]. 5ήηµέρα:87%του Ε 28 cm 14ήηµέρα:96%του Ε 28 cm E cm ( t) = E exp 1 cm cem t 0.33 [5.1] BamforthP., Chisholm D., Gibbs J. andharissont., 2008.Properties of concrete for use in EuroCode2. 82 /105

83 6. Εφαρµογές σε δοµικά στοιχεία σκυροδέµατος Παρακολούθηση πρώιµου σκυροδέµατος µε την Μέθοδο ΗΜE. Παρακολούθηση διαδικασίας ενυδάτωσης: 3-48 ώρες Ορυθµός µεταβολής του RMSDείναιδυνατό νασυσχετιστείµε το ρυθµό ενυδάτωσης και ανάπτυξης της δυσκαµψίας του πολύ πρώιµου σκυροδέµατος(<24hr). είκτες ρυθµού µεταβολής RMSD. DRMSD t R MSD _ R ( t ) n ( ) n = RMSD = tn n m= 1 RMSD n m= 1 t m n m = = RMSD t 0 n m= 1 ( RMSD RMSD ) 0 n n n m= 1 RMSD t n 1 m ( t t ) m m 1 n 1, n> 1, n= 1 m 1, n> 1, n= 1 t n : Ηλικία σκυροδέµατος κατά τη καταγραφή του n-στού φάσµατος απόκρισης. t 1 : 3 ώρες 83 /105

84 6. Εφαρµογές σε δοµικά στοιχεία σκυροδέµατος Παρακολούθηση πρώιµου σκυροδέµατος µε την Μέθοδο ΗΜE. Παρακολούθηση διαδικασίας ενυδάτωσης: DRMSD Από τις3έως και τις7περίπου ώρες µετά την ανάµιξη των συστατικών διαπιστώνεται απότοµη αύξηση του DRMSD. Μετά τις7ώρες και µέχρι τις24, οµαλότερη µείωση των τιµών του δείκτη. Το χρονικό διάστηµα µεταξύ 7-18 ωρών ο δείκτης λαµβάνει τη µέγιστη τιµή. 84 /105

85 6. Εφαρµογές σε δοµικά στοιχεία σκυροδέµατος Παρακολούθηση πρώιµου σκυροδέµατος µε την Μέθοδο ΗΜE. Παρακολούθηση διαδικασίας ενυδάτωσης: RMSD-R Αντίστοιχη συµπεριφορά µε τον δείκτη DRMSD. Οµαλότερη µεταβολή σε σχέση µε τον δείκτη DRMSD. Η συµπεριφορά και των δύο δεικτών αντικατοπτρίζει την µεταβολή της ταχύτητας ενυδάτωσης των συστατικών του τσιµέντου, τα οποία αυξάνουν σταδιακά τη δυσκαµψία του υλικού. 85 /105

86 6. Εφαρµογές σε δοµικά στοιχεία σκυροδέµατος Παρακολούθηση ανάπτυξης µηχανικών βλαβών σε θλιβόµενο κυβικό δοκίµιο σκυροδέµατος. Κυβικό δοκίµιο σκυροδέµατος, ακµής 150mm, C20/25. Ηλικία σκυροδέµατος: 2 µήνες. Αντοχή που καταγράφηκε µετά από 7 κύκλους κλιµακούµενης φόρτισηςαποφόρτισης: 27.2 MPa. Θλιπτική καταπόνηση δοκιµίου σκυροδέµατος 86 /105

87 6. Εφαρµογές σε δοµικά στοιχεία σκυροδέµατος Παρακολούθηση ανάπτυξης µηχανικών βλαβών σε θλιβόµενο κυβικό δοκίµιο σκυροδέµατος. Σύστηµα T-WiEYE. ΚαταγραφόµενοΦάσµααπόκρισης:ΗΜΕ Ζ 3. Υπολογισµόςτηςµηχανικήςεµπέδησης: Z St. Εύρος συχνοτήτων: khz Αξιολόγηση µεταβολής φασµάτων µηχανικής εµπέδησης Φάσµα αναφοράς RS: Πραγµατικό µέρος Ζ St δοµικά ακέραιου δοκιµίου(lc0). Στατιστικός έλεγχος υπολοίπων. Κανονική Κατανοµή και Κατανοµή GEV. Προσοµοίωση του φάσµατος αναφοράς µε ένα ισοδύναµο σύστηµα µηχανικών εµπεδήσεων. 87 /105

88 6. Εφαρµογές σε δοµικά στοιχεία σκυροδέµατος Παρακολούθηση ανάπτυξης µηχανικών βλαβών σε θλιβόµενο κυβικό δοκίµιο σκυροδέµατος. ΠραγµατικόµέροςΗΜΕ: R 3 (Αντίσταση-Resistance). 88 /105

89 6. Εφαρµογές σε δοµικά στοιχεία σκυροδέµατος Παρακολούθηση ανάπτυξης µηχανικών βλαβών σε θλιβόµενο κυβικό δοκίµιο σκυροδέµατος. ΠραγµατικόµέροςΜηχανικήςΕµπέδησης: R St =Re{Z St }. 89 /105

90 6. Εφαρµογές σε δοµικά στοιχεία σκυροδέµατος Παρακολούθηση ανάπτυξης µηχανικών βλαβών σε θλιβόµενο κυβικό δοκίµιο σκυροδέµατος. ΠροσοµοίωσηΦάσµατοςΑναφοράς RS meas : Ζ St meas LC0 R St =Re{Z St } (Ns/m) + R meas St R est St Fit x =98.35% freq(khz) freq 0,j j (khz) A eff j H eff j (mm 2 ) (mm) n j st

91 6. Εφαρµογές σε δοµικά στοιχεία σκυροδέµατος Παρακολούθηση ανάπτυξης µηχανικών βλαβών σε θλιβόµενο κυβικό δοκίµιο σκυροδέµατος. Στατιστικόςέλεγχοςυπολοίπων: r LC0-7 =(R st meas ) LC0-7 -R St est Βεβαιότητα: 99% P low =0.005 ή 0.5 % P up =0.995 ή 99.5 % Ν out0 = 2 N out = /105

92 6. Εφαρµογές σε δοµικά στοιχεία σκυροδέµατος Παρακολούθηση ανάπτυξης µηχανικών βλαβών σε θλιβόµενο κυβικό δοκίµιο σκυροδέµατος. Αξιολόγηση εξέλιξης βλάβης LC7 (610 kn) LC6 (600kN) Βεβαιότητα: 99% P low =0.005 ή 0.5 % P up =0.995 ή 99.5 % Ν out0 = 2 N out =150

93 6. Εφαρµογές σε δοµικά στοιχεία σκυροδέµατος Παρακολούθηση ανάπτυξης µηχανικών βλαβών σε θλιβόµενο κυβικό δοκίµιο σκυροδέµατος. Ανάκτηση του TBSA 93 /105

94 6. Εφαρµογές σε δοµικά στοιχεία σκυροδέµατος Παρακολούθηση ανάπτυξης µηχανικών βλαβών σε καµπτόµενη δοκό σκυροδέµατος. οκόςσκυροδέµατος,150x150x750mm,c20/25. Ηλικία σκυροδέµατος: 4 µήνες. Κάµψη τριών σηµείων. Φορτίο που καταγράφηκε µετά από 4 κύκλους κλιµακούµενης φόρτισης-αποφόρτισης: 70 kn. 94 /105

95 6. Εφαρµογές σε δοµικά στοιχεία σκυροδέµατος Παρακολούθηση ανάπτυξης µηχανικών βλαβών σε καµπτόµενη δοκό σκυροδέµατος. Μόνο θλιβόµενος οπλισµός Πρόσδεση TBSA στον οπλισµό TBSA 1 TBSA 2 Πλέγµα µε TBSA πριν την εµφύτευση Κάµψη τριών σηµείων Σκυροδέτηση δοκού και Εµφύτευση TBSA TBSA 1 95 /105

96 6. Εφαρµογές σε δοµικά στοιχεία σκυροδέµατος Παρακολούθηση ανάπτυξης µηχανικών βλαβών σε καµπτόµενη δοκό σκυροδέµατος. Σύστηµα T-WiEYE. ΚαταγραφόµενοΦάσµααπόκρισης:ΗΜΕ Ζ 3. Υπολογισµόςτηςµηχανικήςεµπέδησης: Z St. Εύρος συχνοτήτων: khz Αξιολόγηση µεταβολής φασµάτων µηχανικής εµπέδησης ΜόνοτοTBSA1 Φάσµααναφοράς RS:Πραγµατικόµέρος Ζ St LC0 Στατιστικός έλεγχος υπολοίπων. Κανονική Κατανοµή, Κατανοµή GEV. Προσοµοίωση του φάσµατος αναφοράς µε ένα ισοδύναµο σύστηµα µηχανικών εµπεδήσεων. 96 /105

97 6. Εφαρµογές σε δοµικά στοιχεία σκυροδέµατος Παρακολούθηση ανάπτυξης µηχανικών βλαβών σε καµπτόµενη δοκό σκυροδέµατος. ΠραγµατικόµέροςΜηχανικήςΕµπέδησης: R St =Re{Z St }. 97 /105

98 6. Εφαρµογές σε δοµικά στοιχεία σκυροδέµατος Παρακολούθηση ανάπτυξης µηχανικών βλαβών σε καµπτόµενη δοκό σκυροδέµατος. ΠροσοµοίωσηΦάσµατοςΑναφοράς RS meas : Ζ St meas LC0 R St =Re{Z St } (Ns/m) Fit x =98.35% + R meas St R est St freq 0,j j (khz) A eff j H eff j (mm 2 ) (mm) n j st freq(khz) 98 /105

99 6. Εφαρµογές σε δοµικά στοιχεία σκυροδέµατος Παρακολούθηση ανάπτυξης µηχανικών βλαβών σε καµπτόµενη δοκό σκυροδέµατος. Στατιστικόςέλεγχοςυπολοίπων: r LC0-7 =(R st meas ) LC0-7 -R St est Βεβαιότητα: 99% Βεβαιότητα: 99% P low =0.005 ή 0.5 % out =0.005 ή 0.5 P up =0.995 ή 99.5 % out0 Ν out0 = 2 F=200 N out = /105

100 6. Εφαρµογές σε δοµικά στοιχεία σκυροδέµατος Παρακολούθηση ανάπτυξης µηχανικών βλαβών σε καµπτόµενη δοκό σκυροδέµατος. Αξιολόγηση εξέλιξης βλάβης: Αστοχία σε διάτµηση Βεβαιότητα: 99% P low =0.005 ή 0.5 % P up =0.995 ή 99.5 % Ν out0 = 2 N out = /105

101 7. Συµπεράσµατα-Προτάσεις 101 /105

102 7. Συµπεράσµατα-Προτάσεις Συµπεράσµατα Τα πιεζοηλεκτρικά κεραµικά επιθέµατα PZT (Lead Zirconate Titanate) είναι δυνατό να εφαρµοστούν επιτυχώς στο ΜΚΕ δοµικών στοιχείων σκυροδέµατος. Η θεωρητική διερεύνηση της µηχανικής αλληλεπίδρασης µεταξύ των PZT και των κατασκευών που τα φέρουν, αποδεικνύει την ισχυρή συσχέτιση της ηλεκτρικής απόκρισης του PZT µε τη µηχανική απόκριση της κατασκευής. Το ενοργάνως καταγραφόµενο φάσµα απόκρισης της Ηλεκτρο- Μηχανικής Εµπέδησης (ΗΜΕ) ενός πιεζοηλεκτρικού αισθητήρα, αποτελεί το κύριο µέγεθος παρατήρησης της µηχανικής απόκρισης µιας κατασκευής. 102 /105

103 7. Συµπεράσµατα-Προτάσεις Συµπεράσµατα Από τα θεωρητικά µοντέλα που αναπτύχθηκαν, διαπιστώνεται ότι είναι δυνατό να προσδιοριστεί η µηχανική απόκριση των κατασκευών από τη καταγραφόµενη ηλεκτρική απόκριση των πιεζοηλεκτικών αισθητήρων. Οι στατιστικοί δείκτες βλάβης και ο στατιστικός έλεγχος των υπολοίπων, συµβάλουν σηµαντικά στη συγκριτική ανάλυση των φασµάτων απόκρισης της ΗΜΕ και την αξιόπιστη αξιολόγηση της δοµικής ακεραιότητας των κατασκευών. Τα «ευφυή» πιεζοηλεκτρικά αδρανή λειτουργούν ως τµήµα της µικροδοµής του σκυροδέµατος και καθιστούν δυνατή τη παρακολούθηση µιας κατασκευής από τα πολύ πρώιµα σταδία δόµησηςτης,έωςκαιτοσύνολοτουχρόνουζωήςτους. 103 /105

104 7. Συµπεράσµατα-Προτάσεις Συµπεράσµατα Ο σχεδιασµός και η ανάπτυξη ενός ολοκληρωµένου ασύρµατου συστήµατος αυτόµατης και συνεχούς καταγραφής της ΗΜΕ, προσφέρει σηµαντική ευελιξία στις διαδικασίες ΜΚΕ µιας κατασκευής, καθώς: Μειώνει σηµαντικά την απαιτούµενη φυσική παρουσία του µηχανικού στo χώρο της κατασκευής. ίνει τη δυνατότητα καταγραφής µεγάλου όγκο δεδοµένων σε σύντοµο χρονικό διάστηµα. ιευκολύνει την ανάπτυξη και τη διαχείριση ενός εκτεταµένου πλέγµατος παρακολούθησης µιας κατασκευής. Η καταχώρηση των µετρήσεων σε βάση δεδοµένων και η διασύνδεση της βάσης µε λογισµικά µαθηµατικής ανάλυσης, καθιστά δυνατή την αποµακρυσµένη παρακολούθηση και αξιολόγηση µιας κατασκευής. 104 /105

105 7. Συµπεράσµατα-Προτάσεις Προτάσεις για µελλοντική διερεύνηση Εξέλιξη των αλγορίθµων προσοµοίωσης της απόκρισης των Ηλεκτρο- Μηχανικών Συστηµάτων. Βελτιστοποίηση του σχεδιασµού του πρωτότυπου πιεζοηλεκτρικού «ευφυούς» αδρανούς από Teflon. Περαιτέρω ανάπτυξη του λογισµικού διαχείρισης και µεταεπεξεργασίας των δεδοµένων ΗΜΕ µέσω MATLAB και σχεδίαση ολοκληρωµένης αυτόνοµης εφαρµογής. Εφαρµογή του ολοκληρωµένου συστήµατος T-WiEYE σε µεγάλης κλίµακας τεχνικά έργα από σκυρόδεµα. ιερεύνηση εφαρµογής της όλης τεχνολογίας και στον παθητικό έλεγχο των κατασκευών, µε την αξιοποίηση των φυσικών ταλαντώσεων. 105 /105

106 Ευχαριστώ για την προσοχή σας.