Αριθμητική και πειραματική διερεύνηση των μηχανικών ιδιοτήτων γεωυλικών και σκυροδέματος με μη καταστρεπτικές μεθόδους

Abstract

This doctoral dissertation investigates the reliable determination of dynamic elastic parameters on cylindrical specimens of concrete and geomaterials, with particular emphasis on short cylinders (L/D < 2) such as those typically obtained by coring existing structures. To this end, two non-destructive testing (NDT) methods based on elastic wave propagation are systematically examined: Ultrasonic Pulse Velocity (UPV) and the Impact Echo (IE) resonance frequency method in accordance with ASTM C215. The research methodology combines extensive finite element method (FEM) numerical simulations with a comprehensive experimental programme. The numerical component comprises 156 parametric analyses carried out using PLAXIS 2D/3D software: 72 axisymmetric 2D analyses for the determination of the Shape Correction Factor (SCF), 24 three-dimensional analyses for the Mass Correction Factor (MCF) and Inertia Correction Factor (ICF), and 60 axisymmetric 2D analyses for investigating the autonomous determination of νd through IE alone. The experimental component is based on 232 concrete cores extracted from existing structures and 12 aluminium and steel cylinders of known properties used for verification purposes. The original contributions of this research span the areas outlined below. The error introduced in the calculation of d via UPV when an arbitrary Poisson’s ratio is assumed is quantified for the first time, highlighting the limitations of UPV as a standalone test. A comprehensive system of three correction factors (SCF, MCF, ICF) is developed as analytical functions of the slenderness ratio L/D and Poisson’s ratio through Multivariable Fractional Polynomial (MFP) regression and experimentally validated on steel and aluminium specimens. The UPIES methodology (Ultrasonic Pulse – Impact Echo Synergy) is proposed for the simultaneous determination of Ed and νd through the combined use of UPV and IE, eliminating the need for an assumed Poisson’s ratio. Two alternative methodologies for the autonomous determination of νd exclusively through IE are also investigated, based on the recording of lateral and vertical accelerations along the free surface of the specimen, while the feasibility of using the f2/f1 frequency ratio for the same purpose is evaluated. Finally, empirical correlations relating uniaxial compressive strength, wave propagation velocities, and specific gravity are developed utilising the full experimental dataset. The practical significance of this research lies in the potential to reduce the number of concrete cores required during the assessment of existing structures. The proposed correction factors depend solely on specimen geometry and Poisson’s ratio — and not on material type — thereby enabling their generalisation to rock cores and other geomaterials under the same geometric conditions.

Η παρούσα διδακτορική διατριβή διερευνά τη δυνατότητα αξιόπιστου προσδιορισμού των δυναμικών ελαστικών παραμέτρων σε κυλινδρικά δοκίμια σκυροδέματος και γεωυλικών, με ιδιαίτερη έμφαση σε κοντούς κυλίνδρους (L/D< 2) όπως αυτοί που προκύπτουν κατά την πυρηνοληψία υφιστάμενων κατασκευών. Προς τον σκοπό αυτό, εξετάζονται συστηματικά δύο μέθοδοι μη καταστροφικών δοκιμών (NDT): η μέτρηση ταχύτητας υπερηχητικού παλμού (Ultrasonic Pulse Velocity – UPV) και η δοκιμή ακουστικού συντονισμού (Impact Echo – IE) κατά ASTM C215. Η ερευνητική μεθοδολογία συνδυάζει εκτεταμένη αριθμητική προσομοίωση με τη μέθοδο πεπερασμένων στοιχείων (FEM) και πλούσιο πειραματικό πρόγραμμα. Το αριθμητικό σκέλος περιλαμβάνει 156 παραμετρικές αναλύσεις στο λογισμικό PLAXIS 2D/3D: 72 αξονοσυμμετρικές αναλύσεις 2D για τον προσδιορισμό του διορθωτικού συντελεστή σχήματος (Shape Correction Factor – SCF), 24 τρισδιάστατες αναλύσεις για τους διορθωτικούς συντελεστές μάζας αισθητήρα (Mass Correction Factor – MCF) και αδράνειας (Inertia Correction Factor – ICF), και 60 αξονοσυμμετρικές αναλύσεις 2D για τη διερεύνηση του αυτόνομου προσδιορισμού του νd μέσω της IE. Το πειραματικό σκέλος βασίζεται σε 232 πυρήνες σκυροδέματος από υφιστάμενες κατασκευές και 12 κυλινδρικά δοκίμια αλουμινίου και χάλυβα γνωστών ιδιοτήτων. Η πρωτότυπη συνεισφορά της έρευνας εκτείνεται στους παρακάτω άξονες. Ποσοτικοποιείται για πρώτη φορά το σφάλμα που εισάγεται στον υπολογισμό του Ed μέσω της UPV όταν υιοθετείται αυθαίρετη τιμή του λόγου Poisson, αναδεικνύοντας τους περιορισμούς της μεθόδου ως αυτόνομης δοκιμής. Αναπτύσσεται ολοκληρωμένο σύστημα τριών διορθωτικών συντελεστών (SCF, MCF, ICF) ως αναλυτικών συναρτήσεων της λυγηρότητας L/D και του λόγου Poisson, μέσω στατιστικής παλινδρόμησης κλασματικών πολυωνύμων (Multivariable Fractional Polynomial – MFP), με πειραματική επαλήθευση σε δοκίμια χάλυβα και αλουμινίου. Προτείνεται η μεθοδολογία UPIES (UPV – Impact Echo Synergy) για τον ταυτόχρονο προσδιορισμό των Ed και νd χωρίς την ανάγκη υιοθέτησης αυθαίρετης τιμής του λόγου Poisson. Διερευνώνται παράλληλα δύο εναλλακτικές μεθοδολογίες αυτόνομου προσδιορισμού του νd αποκλειστικά μέσω της IE — βασιζόμενες στην καταγραφή πλευρικών και κατακόρυφων επιταχύνσεων — ενώ αξιολογείται και η δυνατότητα χρήσης του λόγου f2/f1 για τον ίδιο σκοπό. Τέλος, αναπτύσσονται εμπειρικές σχέσεις συσχέτισης της μονοαξονικής θλιπτικής αντοχής, των ταχυτήτων διάδοσης και ειδικού βάρους αξιοποιώντας το σύνολο του πειραματικού δείγματος. Η πρακτική σημασία της έρευνας έγκειται στη δυνατότητα μείωσης των θέσεων πυρηνοληψίας κατά την αξιολόγηση υφιστάμενων κατασκευών, καθώς οι διορθωτικοί συντελεστές εξαρτώνται αποκλειστικά από τη γεωμετρία και τον λόγο Poisson — και όχι από το υλικό — γεγονός που επιτρέπει τη γενίκευσή τους σε βραχομάζες και άλλα γεωυλικά υπό τις ίδιες γεωμετρικές προϋποθέσεις.