Έλεγχος δομικής ακεραιότητας σε υφιστάμενα και σε ενισχυμένα στοιχεία από ωπλισμένο σκυρόδεμα με “ευφυή” πιεζοηλεκτρικά υλικά: πειραματική διερεύνηση

Abstract

The effect of time on Reinforced Concrete (RC) structures, seismic excitations, accidental actions, corrosion of steel reinforcement, and explosive failure due to fire are the most important causes of structural failures, which require high repair and maintenance costs. It is now common place in the global scientific community that the agents mentioned above, which occur mainly in existing structures, pose significant risks of sudden collapse, with incalculable consequences and potential casualties. In addition, the absence of targeted seismic considerations in the pre-1985 building provisions is an essential and critical factor in increasing the structural vulnerability of structures and infrastructure. Moreover, the country’s structural wealth aging should be further considered. Considering and combining the above references, it is clear that the systematic supervision and monitoring of the integrity of structures and infrastructures is vital for their proper and timely maintenance, ensuring the intended level of performance and total control of their quality. Structural Health Monitoring (SHM) is an emerging and continuously developing area involving several techniques and represents a reliable solution for assessing structural integrity. In particular, some of these techniques can be applied and even operate in real-time. Moreover, the primary objective of performing structural integrity monitoring of structures and infrastructure is to enhance their safety and reliability. In addition, the application of SHM increases their lifetime through targeted repair and reinforcement work. However, despite the remarkable, rapid development that has taken place in the applied technologies and proposed methodologies, SHM’s research faces limitations. The complexity of the structures, the noise introduced in the acquired data, the accuracy of measurements, the reliability of the operation and robustness of the sensors, and the high cost of implementing the SHM methods are some of the most important limitations. The Electro-mechanical Impedance (EMI) technique can be a reliable solution to overcome certain limitations, such as local inspection and the complex geometry of structures. In this Ph.D. thesis, the EMI technique is implemented by exploiting the piezoelectric phenomenon through the installation of piezoelectric sensors in the host structures and the implementation of a Wireless System for SHM applications called “WiAMS” (Wireless Admittance Monitoring System), which was designed by Professor Konstantinos Providakis at the Technical University of Crete. WiAMS is a low-cost remote control device that was developed and implemented in a series of experimental tests, which were conducted at the Laboratory of Reinforced Concrete and Seismic Design of Structures of the Democritus University of Thrace, within the framework of the experimental program of this Ph.D. thesis. The experimental project’s primary objective is to evaluate the effectiveness of the proposed ΕΜΙ technique by employing piezoelectric sensors and the WiAMS to monitor RC elements’ structural integrity. Therefore, the efficiency and sensitivity of the method in detecting changes in mechanical impedance and its influencing parameters in RC elements are investigated. In particular, the investigation concerns the study of the influence of the main basic failure mechanisms occurring in existing and retrofitted concrete elements on the EMI measurements, which are implemented using WiAMS and piezoelectric patches mounted on the RC elements under consideration (host structures). Therefore, the performance of the proposed SHM technique on RC beams under dominant shear and under dominant bending was studied. In addition, the performance of the proposed technique in SHM of single-story RC discrete frames without and with cross-metal connector reinforcement was investigated. At the same time, the SHM of the metallic link of the cross-bracing was also examined to evaluate the efficiency of the proposed technique. In addition, the technique was evaluated in applications of retrofitted RC beams: a) with a U-shaped jacket of reinforced cement mortar and b) with a Carbon-Fibre Reinforced Polymer (CFRP) rope. In addition, a pilot application of the proposed SHM technique was carried out on a single-span RC road bridge by installing piezoelectric sensors and an autonomous Wireless System of Structural Health Monitoring. The latter creates the conditions for a broader method application, even in inaccessible RC elements or infrastructures. From the results of the experimental program and their analysis, using common statistical indices and emerging machine learning methods, many valuable and promising conclusions for the optimization and redevelopment of the proposed methodology and the reliable application of the technique in large-scale RC elements and real structures are derived. Moreover, within the framework of this Ph.D. thesis, several prototype applications of the WiAMS device were carried out, which create the conditions for further investigation for the transformation of the method from a strictly local, with limited potential for wide application, to a global one, by creating a network of several local SHM foci.

Η επίδραση του χρόνου στις κατασκευές Ωπλισμένου Σκυροδέματος (ΩΣ), οι σεισμικές διεγέρσεις, οι τυχηματικές δράσεις, η διάβρωση του χαλύβδινου οπλισμού, και η εκρηκτικού τύπου αστοχία λόγω φωτιάς, αποτελούν τις σημαντικότερες αιτίες δομικών αστοχιών, οι οποίες απαιτούν υψηλό κόστος επισκευής και συντήρησης. Είναι πλέον κοινός τόπος στην παγκόσμια επιστημονική κοινότητα, ότι οι προαναφερθέντες παράγοντες, που εμφανίζονται κυρίως σε υφιστάμενες κατασκευές, αποτελούν σημαντικούς κινδύνους ξαφνικών καταρρεύσεων, με ανυπολόγιστες επιπτώσεις και ενδεχόμενες απώλειες ανθρώπινων ζωών. Επιπλέον, η απουσία στοχευμένης αντισεισμικής μέριμνας στους οικοδομικούς κανονισμούς προ του 1985, αποτελεί ένα σημαντικό και κρίσιμο παράγοντα αύξησης της δομικής τρωτότητας των κατασκευών και των υποδομών. Επιπροσθέτως, θα πρέπει να συνυπολογιστεί η παλαιότητα και τα φαινόμενα γήρανσης του δομικού πλούτου της χώρας.Λαμβάνοντας υπόψη και συνδυάζοντας τις παραπάνω αναφορές, γίνεται αντιληπτό πως η συστηματική εποπτεία και ο Έλεγχος Δομικής Ακεραιότητας (ΕΔΑ) των κατασκευών και των υποδομών, αποτελεί μία ζωτικής σημασίας ανάγκη για την ορθή και έγκαιρη συντήρηση τους, τη διασφάλιση της προβλεπόμενης στάθμης επιτελεστικότητας, καθώς και τον ολικό έλεγχο της ποιότητας τους, στα πλαίσια ανάπτυξης βιώσιμών κατασκευών.Ο ΕΔΑ, είναι ένας αναδυόμενος και συνεχώς αναπτυσσόμενος τομέας, ο οποίος περιλαμβάνει πολλές και διαφορετικές τεχνικές παρακολούθησης και αποτελεί μία αξιόπιστη λύση για την αξιολόγηση της δομικής κατάστασης των κατασκευών. Ειδικότερα, κάποιες εξ' αυτών των τεχνικών δύναται να εφαρμόζονται και να λειτουργούν ακόμη και σε πραγματικό χρόνο. Επιπλέον, ο πρωταρχικός στόχος της εφαρμογής του ΕΔΑ στις κατασκευές και υποδομές, είναι η ενίσχυση της ασφάλειας και της αξιοπιστίας τους. Επιπρόσθετα, με την εφαρμογή του ΕΔΑ επιτυγχάνεται η αύξηση του χρόνου ζωής τους, μέσω στοχευμένων εργασιών επισκευών και ενισχύσεων.Ωστόσο, παρά την αξιοσημείωτη, αλματώδη ανάπτυξη που έχει επέλθει στις εφαρμοζόμενες τεχνολογίες και τις προτεινόμενες μεθοδολογίες, η έρευνα του ΕΔΑ αντιμετωπίζει περιορισμούς. Η πολυπλοκότητα των κατασκευών, ο θόρυβος που υπεισέρχεται στα κτηθέντα δεδομένα, η ακρίβεια των μετρήσεων, η αξιοπιστία της λειτουργίας και της ανθεκτικότητας των αισθητήρων, καθώς και το υψηλό κόστος εφαρμογής των μεθόδων ΕΔΑ, αποτελούν κάποιους από τους πιο σημαντικούς περιορισμούς. Η μέθοδος της Ηλεκτρο-Μηχανικής Εμπέδησης (ΗΜΕ), μπορεί να αποτελέσει μία αξιόπιστη λύση τοπικής επιθεώρησης, για την αντιμετώπιση κάποιων εξ' αυτών των περιορισμών. Στην παρούσα διατριβή, η μέθοδος ΗΜΕ υλοποιείται με την αξιοποίηση του πιεζοηλεκτρικού φαινομένου, μέσω της εγκατάστασης πιεζοηλεκτρικών αισθητήρων στις κατασκευές υποδοχής και την ταυτόχρονη εφαρμογή ενός Ασύρματου Συστήματος Ελέγχου Δομικής Ακεραιότητας (ΑΣΕΔΑ), το οποίο σχεδιάστηκε από τον Καθηγητή Κων/νο Προβιδάκη στο Πολυτεχνείο Κρήτης. Το ΑΣΕΔΑ WiAMS (Wireless Admittance Monitoring System), αποτελεί μία χαμηλού κόστους συσκευή απομακρυσμένης διαχείρισης, η οποία αναπτύχθηκε και εφαρμόστηκε σε πλήθος πειραματικών δοκιμών, που εκτελέστηκαν, στο Εργαστήριο Ωπλισμένου Σκυροδέματος και Αντισεισμικών Κατασκευών (ΩΣΑΚ) του Δημοκρίτειου Πανεπιστημίου Θράκης (ΔΠΘ), στα πλαίσια του πειραματικού προγράμματος της παρούσας διατριβής. Πρωταρχικός στόχος του πειραματικού έργου είναι η αξιολόγηση της αποτελεσματικότητας της προτεινόμενης μεθόδου ΗΜΕ, μέσω της χρήσης πιεζοηλεκτρικών αισθητήρων και του ΑΣΕΔΑ WiAMS, για τον ΕΔΑ στοιχείων ΩΣ. Ως εκ τούτου, διερευνάται η αποδοτικότητα και η ευαισθησία της μεθόδου στον εντοπισμό αλλαγών της μηχανικής εμπέδησης και των παραμέτρων που την επηρεάζουν.Ειδικότερα, η διερεύνηση αφορά τη μελέτη της επιρροής των κύριων βασικών μηχανισμών αστοχίας που επέρχονται σε στοιχεία ΩΣ, υφιστάμενα και ενισχυμένα, στις μετρήσεις της ΗΜΕ, οι οποίες υλοποιούνται μέσω του ΑΣΕΔΑ WiAMS και επιθεμάτων πιεζοηλεκτρικών αισθητήρων, τοποθετημένων στα υπό εξέταση στοιχεία ΩΣ (φορείς υποδοχής). Ως εκ τούτου μελετήθηκε η απόδοση της προτεινόμενης τεχνικής ελέγχου δομικής ακεραιότητας σε δοκούς ΩΣ υπό κυριαρχούσα διάτμηση και υπό κυριαρχούσα κάμψη. Επιπλέον, διερευνήθηκε η αποδοτικότητα της τεχνικής ΕΔΑ σε δίστηλα μονώροφα πλαίσια ΩΣ χωρίς και με χιαστί ενίσχυση μεταλλικού συνδέσμου. Επιπρόσθετα, η τεχνική αξιολογήθηκε σε εφαρμογές ενισχυμένων δοκών ΩΣ: α) με μανδύα ωπλισμένου τσιμεντοκονιάματος (ΜΩΤΣ) και β) με κορδόνι ινών άνθρακα (Carbon Fiber Reinforced Polymer - C-FRP)Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε πιλοτική εφαρμογή της προτεινόμενης τεχνικής ΕΔΑ σε οδική γέφυρα ΩΣ ενός ανοίγματος, μέσω της εγκατάστασης πιεζοηλεκτρικών αισθητήρων και ενός αυτόνομου βελτιστοποιημένου μετρητικού ΑΣΕΔΑ. Έτσι, δημιουργούνται οι συνθήκες για ευρύτερη εφαρμογή της μεθόδου, ακόμη και σε απροσπέλαστα και δύσβατα στοιχεία ή υποδομές ΩΣ. Από την ανάλυση των αποτελεσμάτων του πειραματικού προγράμματος, μέσω της υιοθέτησης ευρέως χρησιμοποιούμενων στατιστικών δεικτών και αναδυόμενων τεχνικών μηχανικής μάθησης, επιτυγχάνεται η βελτιστοποίηση και ανάπτυξη της προτεινόμενης μεθοδολογίας ΕΔΑ και η αξιόπιστη εφαρμογή της μεθόδου ΗΜΕ, σε στοιχεία ΩΣ μεγάλης κλίμακας και πραγματικών κατασκευών. Επιπλέον, στα πλαίσια της παρούσας διατριβής, πραγματοποιήθηκαν αρκετές πρωτότυπες εφαρμογές του ΑΣΕΔΑ WiAMS. Οι εφαρμογές αυτές δημιουργούν τις προϋποθέσεις, για περαιτέρω διερεύνηση και τη μετατροπή της μεθόδου από αυστηρά τοπική, με περιορισμένες δυνατότητες ευρείας εφαρμογής, σε καθολική, με τη δημιουργία πολλών τοπικών δικτύων ΕΔΑ, συνεργαζόμενων μεταξύ τους.