Μη καταστροφικός χαρακτηρισμός της βλάβης προηγμένων υλικών μέσω ανάλυσης της θερμο-μηχανικής συμπεριφοράς τους με μεθόδους θερμογραφίας

Abstract

The need for availability of reliable nondestructive methods for evaluation of materials and structures is currently increasing due to the fact that nondestructive evaluation (NDE) contributes to the sustainability and enhanced durability of constructions surpassing the disadvantages of destructive techniques. The advantages of NDE methods include their ability of application during the lifetime of a structure or construction, the characterization of many material properties and the assessment of surface and subsurface damage, resulting in the determination of the residual life and the prediction of upcoming failure.The objective of this thesis is the evaluation of material damage through analysis of the thermo-mechanical behavior using nondestructive techniques. In order to achieve this goal, innovative methodologies based on infrared thermography have been developed, then benchmarked with conventional methods as well as acoustic emission. This research is divided into two main directions: (a) Real-time health monitoring of materials subjected to cyclic mechanical loading and the establishment of a parameter to quantify the level of damage (damage metrics), and (b) study of the material’s behavior at fracture, which is associated with the determination of crack initiation and crack growth rate, as well as the prediction and monitoring of the crack path.Therefore, crack initiation and propagation in materials subjected to cyclic loading were studied and the level of material’s damage as a function of fatigue cycles was characterized by determining its thermal parameters. Moreover, the fatigue limit was determined by a novel methodology combining two nondestructive methods, infrared thermography and acoustic emission. A methodology, based on infrared thermography for the characterization of sub-surface damage in concrete structures was also developed and then was applied to a cultural heritage monument. Finally, an innovative quantitative lock-in thermography technique, able of detecting sub-surface defects in materials, was developed.

H ανάγκη εφαρμογής αξιόπιστων μη καταστροφικών μεθόδων για τον έλεγχο υλικών και δομών αυξάνεται συνεχώς, καθώς συμβάλλουν στην αειφορία και στην ανθεκτικότητα των κατασκευών και δεν παρουσιάζουν τους περιορισμούς των συμβατικών καταστροφικών μεθόδων. Τα πλεονεκτήματα των μη καταστροφικών μεθόδων συνίστανται στο ότι έχουν τη δυνατότητα εφαρμογής σε όλες τις φάσεις της δομής / κατασκευής και μπορούν να χαρακτηρίζουν πολλές ιδιότητες των υλικών και να αποτιμήσουν τη βλάβη τόσο στο εσωτερικό όσο και στην επιφάνειά τους, με αποτέλεσμα να καθιστούν δυνατό τον προσδιορισμό της εναπομένουσας ζωής και την πρόβλεψη της επερχόμενης αστοχίας τους. Αντικείμενο της παρούσας διδακτορικής διατριβής αποτελεί η μη καταστροφική αξιολόγηση της βλάβης υλικών μέσω ανάλυσης της θερμό-μηχανικής συμπεριφοράς τους με χρήση μη καταστροφικών μεθόδων. Για την επίτευξη του συγκεκριμένου στόχου αναπτύχθηκαν νέες καινοτόμες μεθοδολογίες βασισμένες στην υπέρυθρη θερμογραφία και τα αποτελέσματά τους συγκρίθηκαν τόσο με τις υπάρχουσες συμβατικές μεθόδους όσο και με τη μέθοδο της ακουστικής εκπομπής. Η παρούσα έρευνα χωρίζεται σε δυο βασικές κατευθύνσεις: (α) την παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο της υγιούς λειτουργίας υλικών που υποβάλλονται σε κυκλική μηχανική καταπόνηση και την ανάπτυξη παραμέτρου (μετρικής βλάβης) για την ποσοτικοποίηση του επιπέδου βλάβης, και (β) τη μελέτη της συμπεριφοράς του υλικού στη θραύση, η οποία σχετίζεται με την ανίχνευση, την απεικόνιση της διαδρομής και το ρυθμό διάδοσης επιφανειακής και υπό-επιφανειακής ρωγμής. Μελετήθηκε, λοιπόν, τόσο η ανάπτυξη όσο και η διάδοση μίας ρωγμής σε υλικά που υποβάλλονται σε κυκλική μηχανική φόρτιση και χαρακτηρίστηκε το επίπεδο βλάβης των υλικών ως συνάρτηση των κύκλων κόπωσης προσδιορίζοντας τις θερμικές παραμέτρους τους. Επιπλέον, καθορίστηκε το όριο κόπωσης μέσω μίας νέας μεθοδολογίας που συνδυάζει δύο μη καταστροφικές μεθόδους, την υπέρυθρη θερμογραφία και την ακουστική εκπομπή. Αναπτύχθηκε επίσης μία μεθοδολογία βασισμένη στην υπέρυθρη θερμογραφία για τον χαρακτηρισμό υπό-επιφανειακής βλάβης σε κατασκευές από σκυρόδεμα και εφαρμόστηκε σε υφιστάμενη κατασκευή μεγάλης ιστορικής σημασίας για την ελληνική πολιτιστική κληρονομιά. Τέλος, αναπτύχθηκε μια νέα καινοτόμος τεχνική lock-in θερμογραφίας ικανή να ανιχνεύσει υπό-επιφανειακή βλάβη σε υλικά.