Έλεγχος και επεμβάσεις δομικών στοιχείων από ωπλισμένο σκυρόδεμα με ειδικά τσιμεντοκονιάματα και ευφυή υλικά

Abstract

Civil infrastructures are essential long-term investments of a nation, and the proper operations of these are fundamental for the well-being of society. Therefore, extending the lifetime of existing infrastructure and structures without compromising their safety levels is paramount. Thus, developing innovative inspection and refurbishment methods for reinforced concrete structural elements is at the forefront of research and practical interest. The present doctoral thesis investigates the utilization of smart piezoelectric materials for real-time inspection of reinforced concrete structural elements and monitoring their structural integrity. In addition, the efficacy of smart piezoelectric patches for assessing cement-based mortars and Fiber Reinforced Polymers (FRP), commonly used to refurbish reinforced concrete structural members, and their performance as reinforcement materials was investigated. In this scope, the thesis introduces new innovative methodologies for acquiring and evaluating the electromechanical responses of piezoelectric sensors. The Electromechanical Impedance method captures the variation of the electromechanical response of a piezoelectric patch attached to the structural element due to the degradation of its structural integrity. Therefore, the Electromechanical Impedance method is accompanied by a technique for identifying changes in the electromechanical responses of the piezoelectric patch and correlating them with the degradation of the structural integrity of the structural element. In the international literature, the changes in the electromechanical responses were recognized using statistical indices, with RMSD and MAPD being the most widespread. In this doctoral thesis, two new methodologies for inspecting the structural integrity of reinforced concrete structural elements, which utilize machine learning techniques, were developed and investigated. The first methodology introduced in this thesis employs the hierarchical clustering method to identify the degradation of the structural integrity of the structural element from the changes in the responses of the piezoelectric sensors. The hierarchical clustering method is classified as an unsupervised machine learning method, so its application requires a smaller amount of data. Contrary, the second methodology introduced in this thesis was based on the development of a one-dimensional model Convolutional Neural Network (CNN), which belongs to the category of supervised machine learning methods. Although it requires a larger amount of data to train the CNN model, it exhibits an impressively high level of accuracy and reliability. In order to evaluate the proposed methodologies, an extensive experimental program was carried out, in which 3.142 electromechanical responses from 62 piezoelectric sensors were acquired. The Electromechanical Impedance method captures the variation of the electromechanical response of a piezoelectric patch attached to the structural element due to the degradation of its structural integrity. Therefore, the Electromechanical Impedance method is accompanied by a technique for identifying changes in the electromechanical responses of the piezoelectric patch and correlating them with the degradation of the structural integrity of the structural element. In the international literature, the changes in the electromechanical responses were recognized using statistical indices, with RMSD and MAPD being the most widespread. In this doctoral thesis, two new methodologies for inspecting the structural integrity of reinforced concrete structural elements, which utilize machine learning techniques, were developed and investigated. The first methodology introduced in this thesis employs the hierarchical clustering method to identify the degradation of the structural integrity of the structural element from the changes in the responses of the piezoelectric sensors. The hierarchical clustering method is classified as an unsupervised machine learning method, so its application requires a smaller amount of data. On the contrary, the second methodology introduced in this thesis was based on the development of a one-dimensional model Convolutional Neural Network (CNN), which belongs to the category of supervised machine learning methods. Although it requires a larger amount of data to train the CNN model, it exhibits an impressively high level of accuracy and reliability. In order to evaluate the proposed methodologies, an extensive experimental program was carried out, in which 3.142 electromechanical responses from 62 piezoelectric sensors were acquired. The experimental program is divided into two parts. The first part includes four cylindrical fiber-reinforced concrete mortar specimens under monotonic and repeatable compressive loading. Three piezoelectric sensors were attached to the external specimens to inspect their structural integrity. The results highlight the ability of piezoelectric sensors to promptly recognize the degradation of the structural integrity of fiber-reinforced concrete mortar specimens. In addition, the induced stress influences the electromechanical responses of the piezoelectric patches, which is strongly reflected in the statistical indicators of damage. Therefore, under fluctuating stress conditions, the statistical indices present a high probability of presenting false alarms, reducing their reliability to some extent. On the contrary, the proposed methodologies, which utilize machine learning techniques in structural integrity inspection, exhibit elevated reliability even under variant loading levels. In addition, three prismatic specimens of standard dimensions were constructed and subjected to four-point bending under repeated loading. Piezoelectric sensors were attached to the test specimens in several network configurations to optimize their performance in the inspection of their structural integrity. Additionally, two FRC beams were constructed and tested under repeated four-point bending loading. The experimental results show the beneficial influence of adding discrete fibers on concrete flexural strength and post-peak behavior. The Electromechanical Impedance method demonstrates encouraging results in the structural integrity inspection of fiber-reinforced specimens under four-point bending. It can be concluded that there is a correlation between the distance of the position of the piezoelectric sensor and the position of the formation of the critical crack in its successful and valid detection. Hence, the application of a dense network of piezoelectric sensors increases the probability of successful and prompt detection of the degradation of the structural integrity of the specimen. The second part includes the investigation of a new reinforcement technique in real-scale reinforced concrete structural elements. Firstly, two reinforced concrete beam-column joint sub-assemblages were constructed with similar geometric characteristics and reinforcement details. One of the beam-column joints was strengthened by applying C-FRP ropes to specially shaped grooves on the surface of the joint body and column. Furthermore, piezoelectric sensors were attached to the external surface of the joint body as well as to the C-FRP ropes of the reinforced specimen to check its structural integrity. The proposed strengthening technique shows encouraging results, increasing the load-bearing capacity, energy absorption and hysteretic behavior in comparison to the reference specimen. The results of the application of piezoelectric sensors demonstrate their efficacy for the inspection of the structural integrity of beam-column joints and the proposed refurbishment technique. In addition, two reinforced concrete deep beams were constructed and reinforced with C-FRP ropes. One of the deep beams had a rectangular cross-section, while the second one had a slab cross-section. Piezoelectric sensors were placed on the deep beams to inspect their structural integrity and monitor the refurbishment performance. The proposed strengthening technique significantly increased the load-carrying and displacement capacity of the deep beams and changed the failure mode of the deep beams to flexural.

Τα έργα υποδομής αποτελούν σημαντικές και μακροπρόθεσμες επενδύσεις ενός έθνους, η εύρυθμη λειτουργία των οποίων αποτελεί βασική προϋπόθεση για την ευημερία του κοινωνικού συνόλου. Ως εκ τούτου, η επέκταση του χρόνου ζωής των υφιστάμενων κατασκευών και υποδομών, διατηρώντας παράλληλα τα προβλεπόμενα επίπεδα ασφάλειας τους, αποτελεί ζήτημα υψίστης σημασίας. Για το λόγο αυτό, η ανάπτυξη καινοτόμων μεθόδων ελέγχου και επεμβάσεων σε δομικά στοιχεία από ωπλισμένο σκυρόδεμα βρίσκεται στην αιχμή του ερευνητικού και πρακτικού ενδιαφέροντος στον κλάδο των μηχανικών. Η παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνά την αξιοποίηση ευφυών πιεζοηλεκτρικών υλικών στον έλεγχο της δομικής ακεραιότητας δομικών στοιχείων ωπλισμένου σκυροδέματος. Επιπροσθέτως, μελετάται η δυνατότητα εφαρμογής ευφυών πιεζοηλεκτρικών επιθεμάτων για τον έλεγχο της δομικής ακεραιότητας υλικών που χρησιμοποιούνται στις επεμβάσεις δομικών στοιχείων ωπλισμένου σκυροδέματος, όπως είναι τα ινοπλισμένα τσιμεντοκονιάματα και τα ινοπλισμένα πολυμερή. Στη συνέχεια διερευνάται η αξιοποίηση ευφυών πιεζοηλεκτρικών υλικών για τον έλεγχο της απόδοσης επεμβάσεων σε δομικά στοιχεία ωπλισμένου σκυροδέματος. Για το σκοπό αυτό, προτείνονται νέες μεθοδολογίες καταγραφής και αξιολόγησης των ηλεκτρομηχανικών αποκρίσεων των πιεζοηλεκτρικών αισθητήρων.Η μέθοδος της Ηλεκτρομηχανικής Εμπέδησης βασίζεται στην καταγραφή της μεταβολής που υφίσταται η ηλεκτρομηχανική απόκριση ενός πιεζοηλεκτρικού επιθέματος εξαιτίας της υποβάθμισης της δομικής ακεραιότητας του δομικού στοιχείου στο οποίο είναι επικολλημένο. Ως εκ τούτου, η μέθοδος της Ηλεκτρομηχανικής Εμπέδησης συνοδεύεται από μια τεχνική αναγνώρισης μεταβολών των ηλεκτρομηχανικών αποκρίσεων του πιεζοηλεκτρικού επιθέματος και συσχέτισης τους με την υποβάθμιση της δομικής ακεραιότητας του δομικού στοιχείου. Συνήθως, στη διεθνή βιβλιογραφία η αναγνώριση των μεταβολών αυτών γίνεται με τη χρήση στατιστικών δεικτών, όπως ο RMSD και MAPD. Στα πλαίσια της παρούσας διδακτορικής διατριβής αναπτύχθηκαν και διερευνήθηκαν δύο νέες μεθοδολογίες ελέγχου δομικής ακεραιότητας, οι οποίοι αξιοποιούν τεχνικές μηχανικής μάθησης. Η πρώτη μεθοδολογία χρησιμοποιεί τη μέθοδο ιεραρχικής συσταδοποίησης για την αναγνώριση της υποβάθμισης της δομικής ακεραιότητας του δομικού στοιχείου από τις μεταβολές των αποκρίσεων των πιεζοηλεκτρικών αισθητήρων. Η μέθοδος της ιεραρχικής συσταδοποίησης ανήκει στη κατηγορία των μεθόδων μη εποπτευόμενης μηχανικής μάθησης και ως εκ τούτου, η εφαρμογή της απαιτεί μικρότερο αριθμό δεδομένων. Εν αντιθέσει με την δεύτερη μεθοδολογία, η οποία βασίζεται στην ανάπτυξη ενός μονοδιάστατου μοντέλου συνελικτικών νευρωνικών δικτύων, η οποία ανήκει στην κατηγορία των μεθόδων εποπτευόμενης μηχανικής μάθησης. Η δεύτερη τεχνική, αν και απαιτεί μεγαλύτερο αριθμό δεδομένων για την εκπαίδευση του μοντέλου, παρουσιάζει εντυπωσιακά υψηλό επίπεδο ακρίβειας και αξιοπιστίας. Για την αξιολόγηση των προτεινόμενων μεθοδολογιών διενεργήθηκε εκτενές πειραματικό πρόγραμμα, στα πλαίσια του οποίου καταγράφθηκαν 3.142 ηλεκτρομηχανικές αποκρίσεις από 62 πιεζοηλεκτρικούς αισθητήρες. Το πειραματικό πρόγραμμα χωρίστηκε σε δύο μέρη. Το πρώτο μέρος αφορά δοκιμές σε στοιχεία μικρών διαστάσεων. Ειδικότερα, περιλαμβάνει κυλινδρικά δοκίμια ινοπλισμένου τσιμεντοκονιάματος τα οποία καταπονήθηκαν υπό μονοτονική και επαναλαμβανόμενη θλιπτική καταπόνηση. Στα δοκίμια επικολλήθηκαν πιεζοηλεκτρικοί αισθητήρες καθ’ ύψος του δοκιμίου για τον έλεγχο της δομικής του ακεραιότητας. Από τα αποτελέσματα, αναδεικνύεται η ικανότητά των πιεζοηλεκτρικών αισθητήρων να αναγνωρίζουν έγκαιρα την υποβάθμιση της δομικής ακεραιότητας των δοκιμίων ινοπλισμένου τσιμεντοκονιάματος. Επιπλέον, διακρίνεται η επιρροή της εντατικής κατάστασης του δοκιμίου στις ηλεκτρομηχανικές αποκρίσεις των πιεζοηλεκτρικών αισθητήρων, η οποία αποτυπώνεται έντονα στους στατιστικούς δείκτες βλάβης. Ως εκ τούτου, υπό συνθήκες μεταβαλλόμενης εντατικής κατάστασης οι στατιστικοί δείκτες παρουσιάζουν πιθανότητα παρουσίασης εσφαλμένων ενδείξεων αναγνωρίσεις βλάβης, μειώνοντας ως ένα βαθμό την αξιοπιστία τους. Εν αντιθέσει, οι προτεινόμενες μεθοδολογίες που ενσωματώνουν τεχνικές μηχανικής μάθησης στον έλεγχο δομικής ακεραιότητας, παρουσιάζουν μεγαλύτερη αξιοπιστία ακόμα και υπό συνθήκες έντονης μεταβολής της εντατικής κατάστασης του δοκιμίου. Επιπλέον, πρισματικά δοκίμια υποβλήθηκαν σε επαναλαμβανομένη καμπτική φόρτιση τεσσάρων σημείων, με ενδιάμεσα επίπεδα φόρτισης. Στα δοκίμια τοποθετήθηκαν διαφορετικές διατάξεις δικτύων πιεζοηλεκτρικών αισθητήρων, με στόχο τη βελτιστοποίηση της διάταξης των πιεζοηλεκτρικών αισθητήρων στον έλεγχο της δομικής ακεραιότητας. Επιπροσθέτως, κατασκευάστηκαν και δοκοί ινοπλισμένου σκυροδέματος οι οποίοι καταπονήθηκαν υπό επαναλαμβανόμενη καμπτική φόρτιση τεσσάρων σημείων. Από τα πειραματικά αποτελέσματα προκύπτει η ευεργετική επιρροή της προσθήκης ινών στην καμπτική αντοχή και την μετελαστική συμπεριφορά του σκυροδέματος. Η εφαρμογή της μεθόδου Ηλεκτρομηχανικής Εμπέδησης στον έλεγχο της δομικής ακεραιότητας ινοπλισμένων δοκιμίων υπό καμπτική καταπόνηση τεσσάρων σημείων παρουσιάζει ενθαρρυντικά αποτελέσματα. Συμπεραίνεται η συσχέτιση της απόστασης της θέσης του πιεζοηλεκτρικού αισθητήρα και της θέση σχηματισμού της κρίσιμης ρωγμής στην επιτυχή και έγκυρη ανίχνευση της. Ως εκ τούτου, η εφαρμογή πυκνού δικτύου πιεζοηλεκτρικών αισθητήρων αυξάνει την πιθανότητα επιτυχής και έγκαιρης ανίχνευσης της υποβάθμισης της δομικής ακεραιότητας του δοκιμίου.Το δεύτερο μέρος, περιλαμβάνει την διερεύνηση μιας νέας τεχνικής παρακολούθησης της ενίσχυσης σε δομικά στοιχεία ωπλισμένου σκυροδέματος ρεαλιστικών διαστάσεων. Αρχικά δοκιμάστηκαν δύο ακραίοι κόμβοι δοκού – υποστυλωμάτων ωπλισμένου σκυροδέματος, με κοινά γεωμετρικά χαρακτηριστικά και λεπτομέρειες όπλισης. Ο ένας εκ των δύο ακραίων κόμβων ενισχύθηκε με την εφαρμογή ινοπλισμένων πολυμερών από ίνες άνθρακα (C-FRP), υπό τη μορφή κορδονιών, σε ειδικά διαμορφωμένες αυλάκωσης στην εξωτερική επιφάνεια του κόμβου και του υποστυλώματος και ελέγχθηκε η απόδοση της μέσω ευφυών υλικών. Στην εξωτερική επιφάνεια του κόμβου, καθώς και στα κορδόνια C-FRP του ενισχυμένου δοκιμίου τοποθετήθηκαν πιεζοηλεκτρικοί αισθητήρες για τον έλεγχο της δομικής του ακεραιότητας. Από τα αποτελέσματα της εφαρμογής πιεζοηλεκτρικών αισθητήρων αφενός στην επιφάνεια του κόμβου και αφετέρου στα κορδόνια C-FRP, διαπιστώνεται η αποτελεσματικότητας της εφαρμοζόμενης μεθοδολογίας στον έλεγχο της δομικής ακεραιότητας ακραίων κόμβων δοκού – υποστυλώματος καθώς και στην παρακολούθηση της αποτελεσματικότητας της τεχνικής ενίσχυσης. Στη συνέχεια, δοκιμάστηκαν υψίκορμες δοκοί ωπλισμένου σκυροδέματος, οι οποίες ενισχύθηκαν με κορδόνια από C-FRP. Η μια εκ των δοκών ήταν ορθογωνικής διατομής, ενώ η δεύτερη ήταν διατομής πλακοδοκού. Στο σύνολο των υψίκορμών δοκών τοποθετήθηκαν πιεζοηλεκτρικοί αισθητήρες με στόχο τον έλεγχο της δομικής τους ακεραιότητας και την παρακολούθηση της απόδοσης της ενίσχυσης. Η τεχνική ενίσχυσης αύξησε σημαντικά την ικανότητα παραλαβής φορτίου και μετατόπισης των υψίκορμων δοκών, καθώς και μετέτρεψε την μορφή αστοχίας των υψίκορμών δοκών από την αναμενόμενη διατμητική σε καμπτική. Επιπλέον, ιδιαίτερα ενθαρρυντικά αποτελέσματα παρουσιάζει η εφαρμοζόμενη μεθοδολογία στον έλεγχο της δομικής ακεραιότητας των υψίκορμων δοκών, καθώς και στην παρακολούθηση της αποτελεσματικότητας της τεχνικής ενίσχυσης.