A new Wireless Structural Health Monitoring System for Damage Assessment of RC Infrastructures under Seismic Excitations

Transcript

1 Ένα νέο Ασύρµατο Σύστηµα Ελέγχου οµικής Ακεραιότητας και Βλαβών Στοιχείων ΩΣ έναντι Σεισµικών ράσεων A new Wireless Structural Health Monitoring System for Damage Assessment of RC Infrastructures under Seismic Excitations Μαρία-Στυλιανή Ε. ΒΟΥΤΕΤΑΚΗ 1, Κωνσταντίνος Ε. ΧΑΛΙΟΡΗΣ 2, Χρήστος Γ. ΚΑΡΑΓΙΑΝΝΗΣ 3, Κωνσταντίνος Π. ΠΡΟΒΙ ΑΚΗΣ 4 Λέξεις κλειδιά: Έλεγχος δοµικής ακεραιότητας, Ευφυή υλικά, Πιεζοηλεκτρικοί αισθητήρες, Πειραµατικές δοκιµές, Ανακυκλιζόµενη φόρτιση, ιάτµηση ΠΕΡΙΛΗΨΗ : Περιγράφεται ένα νέο, φορητό σύστηµα ασύρµατου ελέγχου δοµικής ακεραιότητας στοιχείων και κατασκευών από Ωπλισµένο Σκυρόδεµα (ΩΣ) το οποίο έχει αναπτυχθεί και διερευνηθεί πειραµατικά στα Εργαστήρια (α) Εφαρµοσµένης Μηχανικής και Τεχνολογίας οµικών Υλικών του Πολυτεχνείου Κρήτης, (β) Ωπλισµένου Σκυροδέµατος και Αντισεισµικών Κατασκευών του ΠΘ και (γ) Μηχανικής και Τεχνολογίας Υλικών του Πανεπιστηµίου Πατρών. Το σύστηµα αυτό βασίζεται στη µέθοδο της Ηλεκτρο-Μηχανικής Εµπέδησης και στη χρήση σειράς ευφυών πιεζοηλεκτρικών αισθητήρων που προσαρµόζονται κατάλληλα σε προεπιλεγµένα σηµεία κρίσιµων περιοχών σε δοµικά στοιχεία κατασκευών. Το εν λόγω σύστηµα αποτελείται από αυτόνοµες ειδικές συσκευές µικρών διαστάσεων που συνδέονται µε τους αισθητήρες µέσω καλωδίων και µεταφέρουν ασύρµατα και σε πραγµατικό χρόνο τις αποκρίσεις τους. Από την επεξεργασία των επί µέρους µετρήσεων σε διάφορα στάδια φορτίσεων και επίπεδα βλαβών δίνεται η δυνατότητα για τον εντοπισµό και την αξιολόγηση της βλάβης είτε από ρηγµατώσεις του σκυροδέµατος είτε από διαρροή του οπλισµού. ABSTRACT : An innovative wireless Structural Health Monitoring (SHM) system for the in real time diagnosis and assessment of potential damages and structural integrity of critical Reinforced Concrete (RC) members in seismicprone regions is presented. The developed SHM technique involves a Wireless impedance/admittance Monitoring intelligent System (WiAMS) that comprises specially manufactured small-sized portable devices. These devices acquire the insitu voltage frequency responses of an array of smart piezoelectric transducers 1 Πολ. Μηχ., MSc, PhD, Τµ. Πολ. Μηχ. ΠΘ, mvouteta@xan.duth.gr 2 Αναπλ. Καθηγητής, Τµήµα Πολιτικών Μηχανικών ΠΘ, chaliori@civil.duth.gr 3 Καθηγητής, Τµήµα Πολιτικών Μηχανικών ΠΘ, karayan@civil.duth.gr 4 Καθηγητής, Σχολή Αρχιτεκτ. Μηχανικών Πολυτεχν. Κρήτης, cpprov@mred.tuc.gr

2 mounted on structural members of RC infrastructures. Cyclic and shear tests of RC members that represent typical structural members under lateral loading and damage monitoring was performed at different damage levels using the developed SHM system. Promising results concerning the prediction of the forthcoming fatal failures at early damage stages due to seismic loading have been derived. ΕΙΣΑΓΩΓΗ Τα τελευταία χρόνια η µέθοδος της Ηλεκτροµηχανικής Εµπέδησης (Electro- Mechanical Impedance ή αλλιώς EMI) έχει αποδειχθεί µια επιτυχηµένη και πολλά υποσχόµενη τεχνική για τον εντοπισµό βλαβών σε δοµικά στοιχεία. Έχουν διεξαχθεί αρκετές έρευνες που αφορούν στοιχεία από Ωπλισµένο Σκυρόδεµα (ΩΣ) µε την πλειονότητα αυτών να εστιάζουν στην διάγνωση βλαβών σε απλό σκυρόδεµα και σε µικρών διαστάσεων στοιχεία ΩΣ που υπόκεινται σε σταθερά φορτία ή σε τεχνητές βλάβες. Εν γένει, η EMI χαρακτηρίζεται για την απλότητά της και για χρήση χαµηλού κόστους υλικά, όπως τα πιεζοηλεκτρικά επιθέµατα (Piezoelectric of lead Zirconate Titanate ή αλλιώς PZTs) (Park et al. 2000, Song et al. 2008, Providakis et al. 2014a, 2015a). Η βασική αρχή που διέπει τις τεχνικές ελέγχου δοµικής ακεραιότητας µε τη χρήση PZTs είναι ότι αξιοποιεί την ηλεκτρο-µηχανική αλληλεπίδραση µεταξύ των πιεζοηλεκτρικών επιθεµάτων και της κατασκευής στην οποία εφαρµόζονται. Τα PZTs λειτουργούν ταυτόχρονα ως αισθητήρες και διεγέρτες και υπό την κατάλληλη διέγερση από αρµονικό ηλεκτρικό φορτίο προκαλούν µηχανική δόνηση στην περιοχή που είναι εγκατεστηµένα. Η δόνηση αυτή έχει τη µορφή µηχανικής ενέργειας η οποία µεταφέρεται στην κατασκευή και µε αυτόν τον τρόπο αλληλεπιδρούν µε αυτή. Η µηχανική αντίδραση της κατασκευής σε αυτή την προκαλούµενη δόνηση (µηχανικό κύµα), η οποία ανιχνεύεται από τα PZTs και µεταφέρεται µέσω µιας απόκρισης - σήµατος που λαµβάνεται από αυτά. Τα ιδιαίτερα χαρακτηριστικά της τεχνικής ΕΜΙ περιλαµβάνουν την ικανότητα λήψης ενός µεγάλου εύρους υλικών και βλαβών, αδιάλειπτη λειτουργία, εύκολη εφαρµογή και δυνατότητα συνεχούς παρακολούθησης (Soh et al. 2000, Wang & Zhu 2011, Na & Lee 2012, Karayannis et al. 2016a). Κατά τα πρώτα χρόνια ανάπτυξης της τεχνικής ΕΜΙ οι προσπάθειες των ερευνών εστίαζαν στην διερεύνηση των δυνατοτήτων εφαρµογής της τεχνικής µε τη χρήση διαφόρων εµπορικών συσκευών όπως το Agilent 4294A ή το HP 4192A. Λόγω του µεγάλου κόστους των συσκευών αυτών είναι ιδιαίτερα δύσκολη η χρήση τους για τον έλεγχο δοµικής ακεραιότητας. Χρησιµοποιώντας όµως ένα σύστηµα χαµηλού προϋπολογισµού για την µέτρηση της εµπέδησης της κατασκευής ΩΣ µπορεί να µειωθεί το κόστος εφαρµογής της τεχνικής. Έχουν γίνει προσπάθειες για τη δηµιουργία συστηµάτων χαµηλού κόστους αντικαθιστώντας τους υψηλού κόστους αναλυτές µετασχηµατισµού Fourier (Peairs et al. 2004). Το κύκλωµα συνήθως αποτελείται από µία αντίσταση σε σειρά µε το PZT που συνδέεται µε την κατασκευή υπό παρακολούθηση. Στην αρχή το σύστηµα δεν µπορούσε να λειτουργήσει σε εύρος συχνοτήτων άνω των 100 khz. Στη συνέχεια διερευνήθηκε

3 περαιτέρω ο περιορισµός αυτός όπως και το θέµα ελαχιστοποίησης του κόστους για την περαιτέρω βελτίωση της απόδοσης του συστήµατος (Lim et al. 2006, Providakis et al. 2015b). Πρόσφατα προτάθηκε ένα νέο σύστηµα ασύρµατου ελέγχου και παρακολούθησης δοµικής ακεραιότητας στοιχείων και κατ επέκταση κατασκευών που βασίζεται στην EMI και ονοµάζεται Wireless impedance/admittance Monitoring System (WiAMS). Βασίσθηκε στην έρευνα των Cortez et al. (2013, 2015) διατηρώντας το πλεονέκτηµα της απλότητας και επεκτάθηκε ώστε να µην έχει περιορισµούς στο ρυθµό λήψης των δεδοµένων. Πρόσθετη επέκταση αποτελεί η χρήση µικρού µεγέθους υπολογιστή µονής πλακέτας (Raspberry PI) ο οποίος είναι ικανός να µεταφέρει δεδοµένα χωρίς σταθµό βάσης, να εκτελεί µεγάλου όγκου λειτουργίες και να συνδέεται απευθείας στο διαδίκτυο µέσω WiFi (Providakis et al. 2014b, 2016). Στην εργασία αυτή περιγράφονται τα βασικά χαρακτηριστικά του προτεινόµενου συστήµατος ελέγχου δοµικής ακεραιότητας και επεκτείνεται η εφαρµογή του σε στοιχεία ΩΣ που υποβάλλονται σε εναλλασσόµενη φόρτιση και σε διατµητικές δοκούς, δηλαδή σε δοµικά στοιχεία ΩΣ ευάλωτα σε σεισµικές - καταστροφικές καταπονήσεις. Ερευνάται η αποτελεσµατικότητα του συστήµατος στον εντοπισµό βλαβών και την αξιολόγηση του βαθµού τους σε διάφορα επίπεδα. ΑΡΧΕΣ ΤΟΥ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ ΕΛΕΓΧΟΥ ΟΜΙΚΗΣ ΑΚΕΡΑΙΟΤΗΤΑΣ Θεωρητική προσέγγιση Η προτεινόµενη µέθοδος ελέγχου δοµικής ακεραιότητας βασίζεται στην θεωρία της Ηλεκτρο-Μηχανικής Εµπέδησης (Electro-Mechanical Impedance ή αλλιώς EMI) και χρησιµοποιεί πιεζοηλεκτρικά επιθέµατα τα οποία προσαρµόζονται στην κατασκευή ως αισθητήρες και διεγέρτες ταυτόχρονα. Τα επιθέµατα αυτά έχουν την ιδιότητα να διεγείρουν την περιοχή της κατασκευής µε υψηλές συχνότητες και να ανιχνεύουν τις αλλαγές στην ηλεκτρική εµπέδηση του κάθε επιθέµατος όπως φαίνεται στο Σχήµα 1. Τα πιεζοηλεκτρικά επιθέµατα αισθητήρα - διεγέρτη είναι ιδιαίτερα µικρών διαστάσεων, διακριτικά, ελαφριά, συµπαγή, ενεργειακώς αποδοτικά και έτσι µπορούν εύκολα να προσαρµοσθούν σε σηµεία των κρίσιµων περιοχών σε επιλεγµένα δοµικά στοιχεία κατασκευών ΩΣ. Τα πλέον διαδεδοµένα πιεζοηλεκτρικά επιθέµατα που κυρίως χρησιµοποιούνται στην EMI λόγω των βελτιωµένων δυνατοτήτων τους είναι από Τιτανιούχο Ζιρκονιούχο Μόλυβδο (Piezoelectric of lead Zirconate Titanate ή αλλιώς PZT). Τα PZTs επιδεικνύουν εξαιρετικά χαρακτηριστικά δοµικού ελέγχου λόγω του µεγάλου εύρους γραµµικότητας, της άµεσης απόκρισης, της αποτελεσµατικής µετατροπής και της µακροχρόνιας σταθερότητας. Οι ιδιότητες αυτό-ανίχνευσης των PZTs δίνουν τη δυνατότητα στο κάθε πιεζοηλεκτρικό επίθεµα να λειτουργεί ταυτόχρονα ως αισθητήρας και ως διεγέρτης. Επίσης, η έννοια της µηχανικής

4 αντίστασης της κατασκευής συνδέεται άµεσα µε την ηλεκτρική του αντίσταση και η θεωρία της EMI βασίζεται στην ενέργεια που µεταφέρεται µεταξύ του PZT και της κατασκευής. Όταν το PZT διεγείρεται µε ένα ηµιτονοειδές ηλεκτρικό φορτίο προκαλεί παλµούς - δονήσεις στην κατασκευή (αντίθετο πιεζοηλεκτρικό φαινόµενο) ενώ η απόκριση του δοµικού στοιχείου της κατασκευής προκαλεί ηλεκτρική απόκριση στην επιφάνεια του PZT (ευθύ πιεζοηλεκτρικό φαινόµενο). Το εφαρµοζόµενο ηµιτονοειδές φορτίο εκφράζεται συναρτήσει του χρόνου: V t =V sin 2πft (1) όπου V pzt (t) είναι το ηλεκτρικό φορτίο κατά µήκος της διεύθυνσης του άξονα y κατά το χρόνο t, V p είναι η αιχµηρή κορυφή του ηλεκτρικού σήµατος και f είναι η συχνότητα σε Hz. Σε ένα γραµµικό σύστηµα η απόκριση του ρεύµατος I(t) αλλάζει φάση φ και έχει διαφορετικό πλάτος I p : I t =I sin 2πft+φ (2) Μία έκφραση ανάλογη του νόµου του Ohm δίνει τη δυνατότητα υπολογισµού της ηλεκτρικής αντίστασης του PZT: Z t = V t I t = V sin2πft I sin 2πft+φ = Ζ sin2πft sin 2πft+φ (3) Με τη γνωστή σχέση του Euler: exp jφ =cosφ+jsinφ (4) η αντίσταση Z pzt (f) εκφράζεται ως µιγαδικός αριθµός. Το ηλεκτρικό φορτίο και το ρεύµα δίδονται από τις σχέσεις: V f =V exp jφ (5) Ι f =Ι exp jφ (6) Έτσι, η σύνθετη µηχανική αντίσταση αποδίδεται µε τη χρήση µιγαδικών αριθµών ως εξής: Ζ f = V f I f =R+jX, Z = R +X (7)

5 όπου το πρώτο µέρος είναι ο πραγµατικός αριθµός R (αγωγιµότητα) και το δεύτερο µέρος το φανταστικό X (ενδοτικότητα). Επίσης ισχύει ότι: R= Z cosφ,χ= Ζ sinφ (8) Μία αποτελεσµατική και απλή µέθοδος για τη µέτρηση του µεγέθους της ηλεκτροµηχανικής εµπέδησης γίνεται µέσω της διέγερσης µιας συσκευής ελέγχου υπό δοκιµή (Device Under Test ή αλλιώς DUT) µε ένα ηµιτονοειδές σήµα και µετρώντας το πλάτος του ηλεκτρικού φορτίου της συσκευής. Στο Σχήµα 2 φαίνεται η σχηµατική µορφή του κυκλώµατος της συσκευής ελέγχου. Σχήµα 1. Πιεζοηλεκτρικός αισθητήρας και κατασκευή ΩΣ Σχήµα 2. Κύκλωµα συσκευής ελέγχου υπό δοκιµή Μία γεννήτρια σήµατος διεγείρει µία αντίσταση σε σειρά µε ένα επίθεµα PZT προκαλώντας εναλλασσόµενο ρεύµα µε συχνότητα f. Η µεταβλητή V pzt (f) είναι το ηλεκτρικό φορτίο που εξάγεται από το PZT, V in (f) είναι το ηλεκτρικό φορτίο της γεννήτριας σήµατος και R f η αντίσταση. Κατά τη διενέργεια του ελέγχου η συσκευή υπό δοκιµή διεγείρει όλα τα PZT που έχουν προσαρµοσθεί κατάλληλα στην κατασκευή. Λαµβάνοντας υπόψη στο κύκλωµα του Σχήµατος 2 ότι κάθε PZT υπό καθαρή και υψηλή συχνότητα συµπεριφέρεται σχεδόν ως πυκνωτής που διατηρεί ανεπηρέαστη τη διαφορά φάσης µεταξύ παραγόµενου ηλεκτρικού φορτίου και ηλεκτρικού ρεύµατος, τότε το πλάτος της ηλεκτρικής αντίστασης υπολογίζεται από τη σχέση:

6 Ζ f = V f I f V f (9) Σήµα εναλλασσόµενου ρεύµατος παράγεται από µία γεννήτρια συχνοτήτων µε συχνότητα f. Το σήµα αυτό περνά από την αντίσταση R f που είναι συνδεδεµένη σε σειρά µε το PZT και V in είναι το παραγόµενο ηλεκτρικό σήµα, ή αλλιώς το ηλεκτρικό φορτίο από τη γεννήτρια συχνοτήτων, όπως φαίνεται στο Σχήµα 2. Η τιµή της κορυφής (µέγιστη τιµή) V p (f) του ηλεκτρικού φορτίου V pzt (f) κατά µήκος του PZT υπολογίζεται από τη σχέση: V f Z f Z f +R V (10) Από την παραπάνω εξίσωση προκύπτει ότι η ηλεκτρική τάση (voltage) του PZT και συγκεκριµένα η µέγιστη τιµή της απόκρισής του κατά το φάσµα συχνοτήτων διέγερσης παρέχει µία ισχυρή ένδειξη ότι η τιµή του µέτρου της εµπέδησης Z είναι ευθέως ανάλογη µε τις µεταβολές που παρατηρούνται. Έτσι η βασική αρχή της µεθοδολογίας είναι ότι, υπό σταθερές συνθήκες, οι τυχούσες αλλαγές στη δοµική κατάσταση της κατασκευής µεταβάλλουν το µέγεθος της µέγιστης τιµής της ηλεκτρικής τάσης µεταξύ των πόλων του PZT. Σηµειώνεται ότι εφαρµόζοντας την παραπάνω εξίσωση µπορούν να συγκριθούν διατάξεις χαµηλού κόστους µε πολύπλοκούς αναλυτές εµπέδησης. Αυτό είναι εφικτό διότι δεν χρησιµοποιείται µιγαδική µορφή για την εµπέδηση αλλά µόνο ένα µέγεθος ηλεκτρικής τάσης. Για να προσδιορισθεί η τιµή της ηλεκτρικής τάσης του PZT χρησιµοποιείται ένας απλός ανιχνευτής µέγιστων τιµών και ο σχεδιασµός των απαραίτητων συσκευών επιλέγεται µε χαρακτηριστικά τον χαµηλό θόρυβο και τη γρήγορη απόκριση και καταγραφή των δεδοµένων. Συσκευή συστήµατος WiAMS που αναπτύχθηκε Η δοµική ακεραιότητα στοιχείων ΩΣ ελέγχεται µέσω των πιεζοηλεκτρικών επιθεµάτων (PZTs) που έχουν κατάλληλα προσαρµοσθεί σε αυτά και των ειδικών συσκευών του συστήµατος που αναπτύχθηκε και έχει την ονοµασία WiAMS (Wireless impedance/admittance Monitoring intelligent System). Προσφέρει σηµαντικά χαρακτηριστικά όπως έλεγχο από απόσταση µέσω ασύρµατου δικτύου WiFi, υψηλή δυνατότητα επεξεργασίας, ασύρµατη λήψη δεδοµένων σε βάση δεδοµένων, ειδοποιήσεις και ενηµερώσεις δεδοµένων µέσω ηλεκτρονικού ταχυδροµείου, δυνατότητα προγραµµατισµού, επαναλαµβανόµενοι υπολογισµοί του µέτρου εµπέδησης σε εύρος συχνότητας µε ανάλυση κάτω από 1Hz. Ο πυρήνας της συσκευής WiAMS αποτελείται από πολλαπλές κατά παραγγελία ηλεκτρονικές µονάδες µε τις οποίες διενεργείται υπολογισµός του µέτρου εµπέδησης. Η πλήρης διάταξη της συσκευής παρουσιάζεται στο Σχήµα 3. Η µικρού µεγέθους και βάρους µονή πλακέτα Raspberry PI χρησιµοποιείται ως κεντρική µονάδα ελέγχου του συστήµατος, η οποία επικοινωνεί και ελέγχει το ολοκληρωµένο κύκλωµα µέσω του λειτουργικού συστήµατος Linux. Παρέχει

7 θύρα επεκτασιµότητας που δίνει δυνατότητες διασύνδεσης και επικοινωνίας µέσω διαφόρων πρωτοκόλλων (Uart, SPI) µε άλλα ολοκληρωµένα κυκλώµατα. Επίσης δύναται να συνδεθεί στο διαδίκτυο ώστε ο χρήστης να έχει τη δυνατότητα ελέγχου του συστήµατος καθώς και επεξεργασίας ή αποθήκευσης δεδοµένων από απόσταση. Επιπλέον λόγω του χαµηλού κόστους της µπορεί να χρησιµοποιηθεί ευρέως ένα πλήθος συσκευών για τον ταυτόχρονο έλεγχο σειράς πιεζοηλεκτρικών αισθητήρων. Σχήµα 3. Φορητή συσκευή ασύρµατου συστήµατος WiAMS και σχεδιάγραµµα βασικών λειτουργιών Η συσκευή του Σχήµατος 3 συνδέεται µε τους πόλους του PZT που έχει προσαρµοσθεί στο δοµικό στοιχείο της κατασκευής ΩΣ µέσω δύο καλωδίων. Το PZT διεγείρεται µε ένα φάσµα ηµιτονοειδών συχνοτήτων µε συγκεκριµένο πλάτος. Το επιθυµητό και κατάλληλο φάσµα συχνοτήτων επιλέγεται µέσω του

8 επεξεργαστή Raspberry PI. Η διέγερση αυτή παράγεται από γεννήτρια παραγωγής συχνοτήτων, ενισχύεται και εφαρµόζεται στο PZT σαν ηλεκτρική τάση V in (ω). Ακολούθως, η απόκριση του ίδιου PZT, δηλαδή οι τιµές ηλεκτρικής τάσης στο δεδοµένο φάσµα συχνοτήτων, καταγράφεται και εντοπίζεται η µέγιστη τιµή V pzt (ω). Η απόκριση του PZT από αναλογική µετατρέπεται σε ψηφιακή µορφή µε ακρίβεια 14 bits. Η µέγιστη τιµή καταγράφεται, αποθηκεύεται και στέλνεται ασύρµατα και σε πραγµατικό χρόνο στον χρήστη. Με βάση την τιµή αυτή και τις προαναφερθείσες σχέσεις γίνεται ο έλεγχος της περιοχής της κατασκευής που βρίσκεται το PZT. ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ιαδικασία προτεινόµενης µεθοδολογίας σε δοµικά στοιχεία ΩΣ Η αποτελεσµατικότητα του συστήµατος ελέγχου δοµικής ακεραιότητας που αναπτύχθηκε ελέγχθηκε σε στοιχεία ΩΣ που καταπονούνται σε καµπτοδιατµητική εναλλασσόµενη φόρτιση και διατµητικά υπό µονοτονική φόρτιση. Ο έλεγχος περιλαµβάνει τη διάγνωση και την αξιολόγηση του βαθµού των βλαβών που δηµιουργούνται στα υπό εξέταση δοµικά στοιχεία κατά τη διάρκεια των πειραµατικών δοκιµών. Αυτό επιτυγχάνεται µε τα αποτελέσµατα µιας σειράς από πιεζοηλεκτρικούς αισθητήρες (PZTs) οι οποίοι προσαρµόζονται κατάλληλα σε συγκεκριµένες θέσεις των δοµικών στοιχείων ΩΣ και συνδέονται µε αντίστοιχο αριθµό συσκευών (Chalioris et al. 2015, 2016, Karayannis et al. 2016b, Voutetaki et al. 2016). Τα PZTs που χρησιµοποιήθηκαν έχουν µικρές διαστάσεις (10 mm 10 mm και πάχος 1 mm), είναι τύπου PIC 255 και προσαρµόζονται ως εξής: (i) Επικολλήθηκαν εποξειδικά στην επιφάνεια των διαµήκων ράβδων οπλισµού. (ii) Ενσωµατώθηκαν µέσα στη µάζα του σκυροδέµατος ως ευφυή αδρανή. (iii) Επικολλήθηκαν εποξειδικά στην εξωτερική επιφάνεια του σκυροδέµατος. Προφανώς, στις περιπτώσεις (i) και (ii) τα PZT προσαρµόζονται πριν από τη σκυροδέτηση του δοκιµίου και άρα οι τρόποι αυτοί δεν δύνανται να εφαρµοσθούν ευχερώς σε υφιστάµενες κατασκευές ΩΣ. Αντιθέτως, στην περίπτωση (iii) οι εξωτερικοί αισθητήρες επικολλήθηκαν εύκολα λίγο πριν από τη δοκιµή. Για την επικόλληση των PZTs στις περιπτώσεις (i) και (iii) χρησιµοποιείται εποξειδική κόλλα µε υψηλό µέτρο διάτµησης και σε µικρό πάχος. Ένα αδιάβροχο στρώµα από εποξειδική ρητίνη εφαρµόζεται επί προσθέτως στην εξωτερική επιφάνεια του αισθητήρα ώστε να τον προστατέψει κατά την διάρκεια της σκυροδέτησης και να αποφευχθεί πιθανός θόρυβος στο σήµα του. Τα χαρακτηριστικά των καµπτικών δοµικών στοιχείων ΩΣ που υπεβλήθησαν σε εναλλασσόµενη ανακυκλιζόµενη φόρτιση φαίνονται στο Σχήµα 4. Τέσσερα PZTs επικολλήθηκαν µε τον τρόπο που προαναφέρθηκε στις ράβδους οπλισµού από χάλυβα µετά από κατάλληλη επιπέδωση της περιοχής των ράβδων και προφανώς πριν από τη σκυροδέτηση του κάθε δοµικού στοιχείου. ύο PZTs επικολλήθηκαν ακόµα εξωτερικά στην επιφάνεια του σκυροδέµατος µετά τη σκυροδέτηση.

9 Σχήµα 4. οµικό στοιχείο ΩΣ υπό ανακυκλιζόµενη φόρτιση και εγκατάσταση των πιεζοηλεκτρικών αισθητήρων Στο Σχήµα 5 παρουσιάζονται τα χαρακτηριστικά των διατµητικών δοκών ΩΣ. Έξι PZTs τοποθετήθηκαν εσωτερικά σε κάθε δοκό ως ευφυή αδρανή στη µάζα του σκυροδέµατος και σε διάφορες θέσεις κατά µήκος των διατµητικών ανοιγµάτων. Επίσης, έξι PZTs επικολλήθηκαν εξωτερικά στην επιφάνεια των δοκών σε αντίστοιχες θέσεις µε αυτές των ενσωµατωµένων ώστε να συγκριθούν οι δύο αυτές περιπτώσεις. Η πειραµατική διάταξη των δοµικών στοιχείων από ΩΣ υπό µονότονη και υπό ανακυκλιζόµενη φόρτιση καθώς και η σύνδεση των αισθητήρων µε τις συσκευές ασύρµατου επί τόπου ελέγχου της δοµικής ακεραιότητας σε πραγµατικό χρόνο φαίνονται στο Σχήµα 6.

10 Σχήµα 5. ιατµητική δοκός ΩΣ και εγκατάσταση των πιεζοηλεκτρικών αισθητήρων Σχήµα 6. Επί τόπου, συνεχής παρακολούθηση και σε πραγµατικό χρόνο στοιχείων ΩΣ µέσω του συστήµατος και των ασύρµατων συσκευών WiAMS

11 Αποτελέσµατα Βασικός στόχος των τεχνικών εντοπισµού βλαβών είναι να ληφθούν πληροφορίες για την ακεραιότητα της δοµικής κατάστασης ενός στοιχείου κατά τη διάρκεια ζωής του ή/και πραγµατοποιώντας έναν άµεσο σε πραγµατικό χρόνο έλεγχο της κατάστασης της κατασκευής µετά από ένα σοβαρό σεισµό. Η αξιολόγηση των βλαβών γίνεται συνήθως µε δείκτες βλάβης οι τιµές των οποίων απορρέουν από τα αποτελέσµατα των µετρήσεων σε διάφορα επίπεδα βλάβης. Οι δείκτες βλάβης που συνήθως χρησιµοποιούνται είναι (α) ο συντελεστής της ρίζας του µέσου τετραγωνικού σφάλµατος (Root Mean Square Deviation ή αλλιώς RMSD) και (β) ο συντελεστής συσχέτισης Cross Correlation coefficient (CC). Η διαδικασία αξιολόγησης του βαθµού βλάβης περιλαµβάνει κατ αρχάς τη συλλογή και καταγραφή των µετρήσεων των σηµάτων - αποκρίσεων ηλεκτρικών τάσεων από τα πιεζοηλεκτρικά επιθέµατα που έχουν προσαρµοσθεί στην κατασκευή. Ως αφετηρία των µετρήσεων (µέτρηση βάσης ή αλλιώς baseline) λαµβάνεται η πρώτη µέτρηση κατά την αρχική κατάσταση του δοµικού στοιχείου, πριν τη πειραµατική δοκιµή, η οποία αντιπροσωπεύει την προ-σεισµού απόκριση της κατασκευής που δεν έχει υποστεί βλάβη και ορίζεται ως Υγιής Κατάσταση. Οποιαδήποτε ενδεχόµενη µελλοντική κατάσταση που ελέγχεται αφορά κάποιο επίπεδο βλάβης το οποίο ορίζεται ως Βλάβη 1, Βλάβη 2 κλπ. Λαµβάνονται και καταγράφονται µετρήσεις από όλα τα PZTs σε κάθε στάδιο φόρτισης που αντιστοιχεί σε κάποιο επίπεδο βλάβης. Με βάση τις προαναφερόµενες αρχές της µεθόδου, όταν εµφανιστεί βλάβη η απόκριση της ηλεκτρικής τάσης (ένδειξη του PZT) αλλάζει. Όσο µεγαλύτερος ο βαθµός βλάβης τόσο µεγαλύτερη η µεταβολή στην καµπύλη απόκρισης της ηλεκτρικής τάσης του PZT και συνεπώς αυξάνεται, ή µειώνεται, η τιµή του στατιστικού συντελεστή RMSD ή CC, αντίστοιχα. Οι συγκρίσεις µεταξύ των καµπυλών απόκρισης της υγιούς κατάστασης και των εξεταζόµενων επιπέδων βλάβης κατά το εύρος των συχνοτήτων khz παρουσιάζουν εµφανείς αποκλίσεις, όπως φαίνονται στο Σχήµα 7. Με αυτό τον τρόπο επιβεβαιώνεται η βλάβη που αναπτύσσεται στο δοµικό στοιχείο ΩΣ εξαιτίας της επιβαλλόµενης φόρτισης. Ο βαθµός της βλάβης αξιολογείται από το εύρος της σταδιακής αλλαγής της συνολικής απόκρισης των PZT στο υπό εξέταση φάσµα συχνοτήτων. Οι τιµές των συντελεστών RMSD και CC υπολογίζονται για κάθε PZT από τις µετρήσεις των αποκρίσεων της ηλεκτρικής τάσης στο φάσµα συχνοτήτων και για κάθε επίπεδο βλάβης. Στο Σχήµα 8 διακρίνεται η σταθερή αύξηση και µείωση των τιµών του RMSD και του CC, αντίστοιχα, γεγονός που επιβεβαιώνει την αύξηση του βαθµού βλάβης στα υπό εξέταση επίπεδα. Επιπλέον οι τιµές των αποκρίσεων που ελήφθησαν από µια σειρά επιθεµάτων PZT προσαρµοσµένων σε προκαθορισµένες θέσεις στα δοµικά στοιχεία παρέχουν ικανοποιητική αξιοπιστία για τη διάγνωση βλάβης και οδηγούν σε ένα ασφαλή προσδιορισµό της θέσης και του βαθµού βλάβης σε διαφορετικά επίπεδα φόρτισης.

12 30 Flexural moment (knm) D5 yield D1 D6 monotonic curve D11 D10 V p (mv) PZT No D9 D4 D2 D Frequency (khz) D8 D3 yield Mid-span deflection (mm) Healthy Damage 1 Damage 2 Damage 3 Damage 4 Damage 5 Damage 6 Damage 7 Damage 8 Damage 9 Damage 10 Damage 11 Σχήµα 7. Αποτελέσµατα διάγνωσης βλαβών στοιχείων ΩΣ υπό ανακυκλιζόµενη φόρτιση V p (mv) PZT No Frequency (khz) Σχήµα 8. Πειραµατικά αποτελέσµατα για τη διάγνωση διατµητικών βλαβών δοκών ΩΣ

13 ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΙΚΑ ΣΧΟΛΙΑ Υφιστάµενες κατασκευές από ΩΣ συχνά παρουσιάζουν δοµικά προβλήµατα και βλάβες κυρίως λόγω γήρανσης, διάβρωσης, ελλιπούς συντήρησης και σεισµικών διεγέρσεων. Η έγκαιρη διάγνωση των βλαβών και η αξιολόγηση του βαθµού τους αποτελεί σηµαντικό βήµα για την προστασία της κατασκευής και της ανθρώπινης ζωής καθώς και για τη λήψη αποφάσεων περί αποκατάστασης και επεµβάσεων. Οι περισσότερες παραδοσιακές µέθοδοι ελέγχου δοµικής ακεραιότητας υφιστάµενων κατασκευών ΩΣ απαιτούν αυξηµένο χρόνο, κόστος και ογκώδες εξοπλισµό. Σύγχρονες τεχνικές ελέγχου χρησιµοποιούν ευφυή υλικά και έχουν ως στόχο τη συνεχή παρακολούθηση των κατασκευών µε στόχο τη µείωση του απαιτούµενου κόστους και χρόνου για την αξιολόγηση των βλαβών και για την άµεση λήψη αποφάσεων. Το σύστηµα που αναπτύχθηκε χρησιµοποιεί πιεζοηλεκτρικούς αισθητήρες για την αξιολόγηση βλαβών και κατάστασης της δοµικής ακεραιότητας στοιχείων ΩΣ. Οι σταθερά αυξανόµενες τιµές των εξεταζόµενων δεικτών βλάβης προσδίδουν τον βαθµό βλάβης δοµικών στοιχείων ΩΣ που υποβάλλονται σε εναλλασσόµενη φόρτιση και σε διατµητικές δοκούς, δηλαδή σε δοµικά στοιχεία ΩΣ ευάλωτα σε σεισµικές - καταστροφικές καταπονήσεις. Το σύστηµα ελέγχου αποτελείται από αυτόνοµες ειδικές φορητές συσκευές µικρών διαστάσεων που συνδέονται µε τους αισθητήρες µέσω καλωδίων και µεταφέρουν ασύρµατα και σε πραγµατικό χρόνο τις µετρήσεις τους. Οι αρχικές πειραµατικές δοκιµές εµφανίζουν σηµαντικές ενδείξεις για τη δυνατότητα αναγνώρισης βλαβών σε πρώιµα στάδια. ΑΝΑΦΟΡΕΣ (αλφαβητική σειρά) Chalioris, C.E., Papadopoulos, N.A., Angeli, G.M., Karayannis, C.G., Liolios, A.A. & Providakis, C.P., Damage evaluation in shear-critical reinforced concrete beam using piezoelectric transducers as smart aggregates, Open Engineering, Vol. 5, No. 1 (2015) Chalioris, C.E., Karayannis, C.G., Angeli, G.M., Papadopoulos, N.A., Favvata, M.J. & Providakis, C.P., Applications of smart piezoelectric materials in a Wireless Admittance Monitoring System (WiAMS) to structures - Tests in RC elements, Case Studies in Construction Materials, Vol. 5 (2016) Cortez, E.N., Vieira Filho, J. & Baptista, F.G., A new microcontrolled structural health monitoring system based on the electromechanical impedance principle, Structural Health Monitoring, Vol. 12, No. 1 (2013) Cortez, E.N., Filho, J.F. & Baptista, F.G., Design and implementation of wireless sensor networks for impedance-based structural health monitoring using ZigBee and Global System for mobile communications, Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol 26, No. 10 (2015) 1-12 Karayannis, C.G., Voutetaki, M.E., Chalioris, C.E., Providakis, C.P. & Angeli, G.M., Detection of flexural damage stages for RC beams using Piezoelectric sensors (PZT), Smart Structures and Systems, Vol. 15, No. 4 (2016a)

14 Karayannis, C.G., Chalioris, C.E., Angeli, G.M., Papadopoulos, N.A., Favvata, M.J. & Providakis, C.P., Experimental damage evaluation of reinforced concrete steel bars using piezoelectric sensors, Construction and Building Materials, Vol. 105 (2016b) Lim, Y.Y., Bhalla, S. & Soh, C.K., Structural identification and damage diagnosis using self-sensing piezo-impedance transducers, Smart Materials and Structures, Vol. 15 (2006) Na, S. & Lee, H.K., A technique for improving the damage detection ability of the electro-mechanical impedance method on concrete structures, Smart Materials and Structures, Vol. 21 (2012) : :9 Park, G., Cudney, H.H. & Inman, D.J., Impedance-based health monitoring of civil structural components, Journal of Infrastructure Systems, Vol. 6 (2000) Peairs, D.M., Park, G. & Inman, D.J., Improving accessibility of the impedancebased structural health monitoring method, Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol. 15 (2004) Providakis, C.P., Stefanaki, K.D., Voutetaki, M.E., Tsompanakis, Y. & Stavroulaki, M.E., Damage detection in concrete structures using a simultaneously activated multimode PZT active sensing system: Numerical modelling, Structure and Infrastructure Engineering, Vol. 10, No. 11 (2014a) Providakis, C.P., Triantafillou, T.C., Karabalis, D., Papanicolaou, A., Stefanaki, K., Tsantilis, A. & Tzoura, E., Simulation of PZT monitoring of reinforced concrete beams retrofitted with CFRP, Smart Structures and Systems, Vol. 14, No. 5 (2014b) Providakis, C.P., Karayannis, C.G., Chalioris, C.E., Favvata, M.J., Angeli, G.M. & Papadopoulos, N.A., Usage of PZTs for damage evaluation of steel reinforcing bar, Scholars Journal of Engineering and Technology, Vol. 3 (2015a) Providakis, C.P., Tsistrakis S., Voutetaki, M.E., Tsompanakis, Y., Stavroulaki, M.E., Agadakos, J., Kampianakis, E. & Pentes, G., A new damage identification approach based on impedance-type measurements and 2D error statistics, Structural Monitoring and Maintenance, Vol. 2 (2015b) Providakis, C.P., Tsistrakis S., Voutetaki, M.E., Tsompanakis, Y., Stavroulaki, M.E., Agadakos, J., Kampianakis, E. & Pentes, G., An innovative active sensing platform for wireless damage monitoring of concrete structures, Current Smart Materials, Vol. 1 (2016) Raspberrypi.org, Available at: Soh, C.K., Tseng, K.K.-H., Bhalla, S. & Gupta, A., Performance of smart piezoceramic patches in health monitoring of a RC bridge, Smart Materials and Structures, Vol. 9 (2000) Song, G., Gu, H. & Mo Y.-L., Smart aggregates: multifunctional sensors for concrete structures - A tutorial and a review, Smart Materials and Structures, Vol. 17 (2008) Voutetaki, M.E., Papadopoulos, N.A., Angeli, G.M. & Providakis, C.P., Investigation of a new experimental method for damage assessment of RC beams failing in shear using piezoelectric transducers, Engineering Structures, Vol. 114 (2016) Wang, D.S. & Zhu, H.P., Monitoring of the strength gain of concrete using embedded PZT impedance transducer, Construction and Building Materials, Vol. 25 (2011)