Narayanan and Subramaniam: Evaluación de daños en estructuras de concreto utilizando sensores piezoeléctricos



1. INTRODUCTION

El Monitoreo de la calidad Estructural (SHM) es un proceso de evaluación de la integridad estructural y del nivel de daños en la estructura durante su vida útil. El SHM está basado en procedimientos de evaluación no-destructiva (NDE) y su monitoreo continuo de los parámetros estructurales para determinar la intensidad y ubicación de los daños. Eso incluye sensores, sistema de adquisición de datos y herramientas de procesamiento de la señal.

Señales de pérdidas de resistencia en concreto son frecuentemente cambios con fisuras visibles. Una vez que el concreto es un material frágil, que es débil a tracción, la fisuración es la manifestación de daños en el material que resulta de las tensiones de tracción en el material. Los daños inducidos por la tracción del concreto pueden resultar de la aplicación de cargas o de fuentes internas tales como retracción o corrosión de la armadura.

El inicio de daños ocurre en forma de micro fisuras distribuidas, que eventualmente se localizan para formar fisuras. Muchas veces, el daño, particularmente en la fase inicial, no es directamente visible y al momento de aparecer las señales de pérdida de resistencia en la superficie de la estructura, puede haber daños significativos de la estructura presentando una degradación importante de la capacidad estructural.

La detección precoz de los daños, antes que las señales sean visibles superficialmente en la estructura es esencial para iniciar la intervención precoz, lo que podrá efectivamente aumentar la vida útil de las estructuras. Métodos para detectar daño incipiente en forma de micro fisuras son necesarios para brindar métodos eficaces de monitoreo de la calidad estructural y vida útil de las estructuras.

El uso de segmentos de PZT y pastillas se volvió popular en el monitoreo de la calidad estructural. Debido a la respuesta electromecánica acoplada de un material PZT, la respuesta mecánica de un adhesivo PZT sujeto a un potencial eléctrico aplicado es influenciado por la restricción elástica proporcionada por el material de la base.

El acoplamiento del segmento PST a una estructura altera la impedancia mecánica del PZT, lo que produce alteraciones en sus características de vibración. El monitoreo de cambios en el perfil de impedancia eléctrica debido a cambios en la impedancia mecánica efectiva del sustrato es la base para mediciones en Impedancia electromecánica (EM).

Las informaciones sobre el material que circunda están contenidas en el perfil de impedancia electromecánica (EMI) de un PZT. Comparando el rastro de impedancia asumida en su estado original y en cualquier otro momento, el daño estructural puede ser determinado. De manera general, se producen dislocaciones de frecuencia y de amplitud relativos al estado puro (sin daños) (Ayres et al., 1998, Chaudhry et al., 1995, Sun et al., 1995, Park et al., 2000, Zagrai y Giurgiutiu , 2001, Giurgiutiu et al., 2002, 2004, Peairs et al., 2004, Narayanan y Subramaniam, 2016a).

La aplicación da técnica EMI para la detección de daños en estructuras de concreto requiere un estudio cuidadoso de la alteración de la conformación del sustrato para diferentes formas de daños del material del sustrato desde los estados incipientes hasta los estables visiblemente. El uso de PZTs para el monitoreo de la calidad de la estructura de concreto fue demostrado por la habilidad de la técnica EMI de registrar cambios debido a la formación de fisuras antes de la falla (Park et al., 2000; Narayanan y Subramaniam, 2016b).

Diversos estudios de daños del concreto usando mediciones basadas en impedancia de PZTs fueron llevados usando los defectos incorporados y daños artificiales sobre la forma de cortes de máquina (Tseng y Wang, 2004; Dongyu et al., 2010; Wang et al., 2013). El método de impedancia EM también ha sido usado para determinar la ubicación de una fisura, induciendo fisuras en diferentes posiciones y profundidades realizando una correlación cruzada como índice de daño (Wang et al., 2013). Aun cuando el uso de daño artificial brinde una percepción significativa, no es representativo de la conformidad del sustrato bajo tensión/carga induciendo daños al material.

El uso del potencial de EMI en mediciones basadas en superficies montadas de PZT para identificar la formación de daño incipiente en estructuras de concreto es evaluado en este artículo. Son investigadas las relaciones entre formas de daño material, indicación visual de daños, conformidad mecánica del material y modos resonantes del perfil de conductancia de PZT relacionado al sustrato de concreto. La variación en las tensiones superficiales para niveles de incremento de carga es monitoreada usando la Correlación de Imagen Digital (DIC) y comparada con la parcela de conductancia del PZT. El desvío cuadrático promedio (RMSD) de la conductancia EM próximo al pico resonante es usado como un índice de daños y se presenta variación en la RMSD en diferentes estados de daño.

2. PROGRAMA EXPERIMENTAL

Los experimentos fueron realizados con cubos de concreto de 150 mm. Seis cubos fueron vaciados y curados por 90 días antes del ensayo. Los cubos fueron conectados con segmentos de PZT exactamente en el centro de la cara lateral del cubo usando epóxi bi-componente. Las propiedades del concreto y del epóxi son presentadas en la Tabla 1. Tres cubos fueron ensayados hasta la ruptura para determinar la resistencia a la compresión del concreto.

Tabla 1

Propiedades de los materiales

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Las caras frontales de los cubos fueron suavizadas y un patrón pulverizado fue creado para la medición de dislocaciones de superficie usando la técnica óptica de campo completa conocida como correlación de imagen digital (mostrada en la Figura 1a). Los perfiles de línea de base del PZT cuando se conectaron al sustrato fueron medidas. Se usaron en el estudio experimental placas de PZT de 20 mm x 20 mm de 1 mm de espesor. En una medición de Impedancia típica, la frecuencia varió entre 1 kHz y 0,5 MHz a una tensión aplicada de 1 V y los datos fueron recogidos a 800 frecuencias discretas. El promedio de cinco medidas fue tomado.

Figura 1

(a). Configuración experimental (b). Histórico de carga aplicada

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Los datos de Impedancia fueron recogidos a partir del adhesivo PZT en estado libre antes de conectar el PZT al cubo de concreto. El perfil de conductancia EM y la imagen fueron tomadas antes del inicio de la carga. Los cubos fueron sometidos à carga de compresión cíclica de magnitud creciente donde la amplitud de la carga fue aumentada en incrementos de 10% de la resistencia a compresión promedio en cada ciclo. El proceso de carga consistió en ciclos de carga y descarga alternados como se aprecia en la Figura 1b. Durante la carga, los perfiles de conductancia y la imagen para DIC fueron grabadas en el tope del ciclo de carga y posteriormente a descarga.

3. IMPEDANCIA DEL PZT ELECTROMECÁNICO

En un material PZT, la aplicación de un campo eléctrico resulta en deformación mecánica del material debido a las relaciones constitutivas electromecánicas acopladas. Para un segmento PZT conectado a un sustrato sujeto a una entrada eléctrica aplicada, el movimiento de la interface sujeto a condiciones de continuidad y conducido por la Impedancia mecánica combinada de la estructura y del PZT. El movimiento limitado, a su vez, produce una alteración en la Impedancia eléctrica medida.

El primer intento sistemático para derivar la Impedancia eléctrica del PZT que es conectada mecánicamente a una estructura usando una idealización 1D del sistema fue desarrollada por Liang et al., 1994. Las mejoras subsecuentes en el modelaje de la respuesta PZT incluyeron el efecto 1-D eficaz Modelo de PZT y niveles variables de idealización de la Impedancia estructural (Bhalla et al., 2004, Xu y Liu, 2002, Yang et al., 2005, 2008).

La mayoría de las soluciones analíticas disponibles y aplicable para idealizar 1 o 2-D del PZT, sustrato o ambos. Típicamente, la entrada eléctrica compleja (Y-) del segmento PZT para una dada entrada eléctrica a una frecuencia puede ser representada como una función de / Y-ZA,ZS, ω, li,E donde ZA y ZS son la Impedancia mecánica del PZT y del sustrato, respectivamente. l i representa las dimensiones del segmento (largo, ancho o espesor) y E es el campo eléctrico aplicado para actuación con frecuencia circular ω.

La conductancia, que es la parte real de la admitancia del PZT libre y del PZT conectado al cubo de concreto de 150 mm, está ilustrada en la Figura 2. Se puede observar que los picos de resonancia cambios a la vibración libre del PZT también pueden ser identificados en respuesta al PZT anexado al cubo de concreto. Apenas tres picos prominentes son identificados en el espectro de conductancia del PZT conectado. Los picos 1 y 2 en el espectro de conductancia del PZT conectado corresponden a los modos 1 y 3, respectivamente, del PZT. El tercer pico en la respuesta de conductancia del PZT conectado tiene contribuciones de los modos 5 y 6 estrechamente espaciados del PZT.

Figura 2

Espectro de conductancia de PZT en condición libre y acoplado con un cubo de concreto de 150 mm.

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Existen varios cambios prominentes asociadas con la frecuencia de los modos resonantes y la magnitud relativa de los picos resonantes. Hay una disminución notable en los valores de conductancia, una tendencia de línea de base creciente que aumenta la magnitud de la conductancia con frecuencia creciente y una alteración en las magnitudes relativas de los picos resonantes en el estado conectado. Existe también un alargamiento significativo de los picos de resonancia en comparación con el estado libre.

Los picos de resonancia cambian para frecuencias más altas, con un mayor desvío de frecuencia en modos más bajos.

La resistencia al movimiento del PZT por el sustrato se refleja en la disminución global del valor de conductancia. Aun cuando la conductancia del PZT libre sea esencialmente nula entre picos resonantes, la conductancia no es nula entre los picos resonantes para el PZT conectado. La resistencia al movimiento de un punto localizado en la superficie del cubo, dada por la Impedancia del punto de accionamiento, influye en el movimiento del PZT conectado. La dependencia de la frecuencia de la Impedancia del punto de accionamiento del sustrato se refleja en las variaciones relativas en las amplitudes y la tendencia general de aumento en el fondo de la conductancia medida. La influencia del sustrato puede también ser identificada con el aumento global de la frecuencia y alargamiento de los picos resonantes.

4. ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS

A partir de los resultados del análisis numérico del PZT conectado a la superficie realizado en COMSOL multiphysics TM, el primer pico no fue bien definido para el concreto. El segundo pico fue bien definido y sensible a la alteración en el módulo de elasticidad. El segundo pico en la respuesta de conductancia EM del PZT conectado fue seleccionado para evaluar la influencia de los daños inducidos por la carga. Los perfiles de conductancia en el segundo pico de la respuesta de PZT conectada posterior a la descarga a partir de diferentes niveles de carga son mostradas en la Figura 3a, b.

Figura 3

Perfiles de conductancia eléctrica: a. 30% -50% de la resistencia b. 60% -90% de la resistencia

2007-6835-ralconpat-20-01-00004-gf3.png

El segundo pico es centrado en 255 kHz. La respuesta entre 245 y 265 kHz es trazada en las figuras. Los contornos de deformación horizontal en carga distinto obtenidos a partir de la técnica DIC son mostrados en el Figura 4. Es claramente identificado a partir del ploteo que la marca de descarga a 40% muestra un cambio para frecuencias más bajas. Esto se debe al daño incipiente producido en el concreto. El contorno de deformación horizontal muestra un aumento en los niveles de deformación (Figura 4). En la medida que el nivel de carga aumenta, el pico de resonancia en el perfil de conductancia muestra una dislocación para la izquierda consistente.

Figura 4

Contornos de deformación horizontal (exx) obtidos utilizando a correlación de imagen digital (a) a 40%; (B) a 50%; (C) a 60%; (D) a 70%; (E) a 80%; E (f) a 90% de la resistencia.

2007-6835-ralconpat-20-01-00004-gf3.png

Comparando con la respuesta DIC medida, no hay señal visible de pérdida de resistencia o fisuras hasta 70% de la resistencia, mientras que algunas señales de ubicación son evidentes a 60% del pico. La ubicación de los daños en una fisura ocurre a 70% de la resistencia. Se observan alteraciones significativas en el pico resonante asociado a la ubicación. Posterior a la ubicación, se observan alteraciones significativas en la forma del pico resonante. A 90% de la resistencia a la compresión, el pico mostró una disminución significativa en la amplitud y un achatamiento del pico. Ese achatamiento del pico está asociado a la formación de una fisura mayor en la superficie. Las marcas de conductancia asociadas al pico resonante tienen un buen acuerdo con la indicación de daños obtenidos a partir de mediciones de deformación superficial. Además de eso, las alteraciones en la conductancia EM son observadas antes de cualquier señal visible de pérdida de resistencia.

El desvío cuadrático de la raíz (RMSD) es usado para medir las diferencias entre los valores de medición de línea de base del perfil de conductancia en el segundo pico resonante y los perfiles correspondientes en diferentes niveles de carga. El RMSD para el rango de frecuencia de 245 kHz a 260 kHz en relación a la medición de la línea de base fue calculado utilizando la ecuación (1), en qué xi y yi son los perfiles obtenidos del transductor PZT conectado a la estructura antes y después del daño (o carga) con largo N. La dispersión en los resultados obtenidos de todos los especímenes está también trazada en la figura.

Se puede observar que, a pesar de la dispersión, existe una tendencia creciente de RMSD con cada nivel de carga como se aprecia en la Figura 5a. La variación en las tensiones verticales promedio registradas en el tope y al final de los dos ciclos de carga obtenidos a partir de mediciones DIC también es representada en la Figura 5b. Puede ser visto que el nivel de daño evaluado usando la variación RMSD del segundo pico resonante compara la evolución de la deformación plástica y aumento en la conformidad mecánica. Existe un aumento exponencial en la evolución de la deformación plástica con carga.

Figura 5

(a). RMSD del segundo pico de resonancia (b). Razón vertical promedio (ɛyy) obtenida de la DIC

2007-6835-ralconpat-20-01-00004-gf3.png

La deformación plástica es un indicador del nivel de daños en el material. Esto corresponde a la tendencia observada en la RMSD medida con carga.

(1)
2007-6835-ralconpat-20-01-00004-g003.gifRMSD=i=1N(yi-xi)2i=1Nxi2

5. CONCLUSIONES

El potencial de uso de mediciones de Impedancia EM de segmentos de PZT montados en la superficie para el monitoreo estructural de la condición de las estructuras de concreto es establecido. Se muestra que hay cambios en el comportamiento de resonancia en la respuesta de conductancia EM del PZT conectado al sustrato de concreto con daños crecientes. El sensor PZT detecta daños incipientes significativamente más temprano que la aparición de señales visibles de daños. Existe una reducción de amplitud y desvío de frecuencia del pico de resonancia PZT con un aumento en el daño del sustrato de concreto. En niveles de daño más elevados, hay achatamiento del pico de resonancia asociado a la ubicación y formación de una fisura mayor.

6. AGRADECIMIENTOS

Este trabajo fue financiado por la donación SB / S3 / CEE / 0013/2013 de la Unidad SERB del Departamento de Ciencia y Tecnología del Ministerio da Ciencia y Tecnología de la India.

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1. INTRODUCTION

Structural Health Monitoring (SHM) is a process of assessing the structural integrity of the constituent parts and the level of damage in the structure during its life period. SHM relies on non-destructive evaluation (NDE) procedures and continuous monitoring of structural parameters to determine the intensity and location of the damage. This involves sensors, data acquisition system and signal processing tools. Signs of distress in concrete are often associated with visible cracking. Since concrete is a brittle material, which is weak in tension, cracking is the manifestation of damage in the material which results from tensile stress in the material. Stress induced damage in concrete could result from load application or from internal sources such as shrinkage or corrosion of reinforcing steel. Damage initiation takes place in the form of distributed microcracks, which eventually localize to form cracks. Often the damage, particularly in the incipient stages is not directly visible and by the time signs of distress appear on the surface of the structure, significant damage would have accrued in the structure and there may be significant degradation of the capacity of the structure. Early detection of damage, before visible signs appear on the surface of the structure is essential to initiate early intervention, which can effectively increase the service life of structures. Methods to detect incipient damage in the form of microcracks are required to provide effective methods of monitoring structural health and service life performance of structures.

Use of PZT patches and wafers has become popular in structural health monitoring. Due to the coupled electro-mechanical constitutive response of a PZT material, the mechanical response of a bonded PZT patch subjected to an applied electrical potential is influenced by the elastic restraint provided by the substrate material. Coupling the PST patch to a structure changes the mechanical impedance of the PZT, which produces changes in its vibration characteristics. Monitoring changes in the electrical impedance signature due to changes in the effective mechanical impedance of the substrate is the basis for electromechanical (EM) impedance-based measurements. Information about the surrounding material is contained in the electromechanical impedance (EMI) signature of a PZT. By comparing the impedance signature taken in the pristine state and at any other time, structural damage can be determined. Generally, both frequency and amplitude shifts are produced relative to the pristine state (without damage) (Ayres et al., 1998; Chaudhry et al., 1995; Sun et al., 1995; Park et al., 2000; Zagrai and Giurgiutiu, 2001; Giurgiutiu et al., 2002, 2004; Peairs et al., 2004; Narayanan and Subramaniam, 2016a).

Application of EMI technique for damage detection in concrete structures requires a careful study of the changing compliance of the substrate for different forms of damage in the substrate material from the incipient to the visible stages. The use of PZTs for health monitoring of concrete structure was demonstrated by the ability of EMI technique to register changes due to formation of cracks well in advance of failure (Park et al., 2000; Narayanan and Subramaniam, 2016b). Several other studies of damage in concrete using impedance-based measurements of PZTs have been conducted using embedded defects and artificial damage in the form of machine cuts (Tseng and Wang, 2004; Lim et al., 2006; Dongyu et al.,2010; Wang et al., 2013). The EM impedance method has also been used to determine the location of a crack by inducing crack at different positions and depths and cross correlation as damage index (Wang et al., 2013). While the use of artificial damage provides meaningful insight, it is not representative of substrate compliance with stress/load induced damage in the material.

The potential use of EMI based measurements of surface mounted PZT to identify the formation of incipient damage in concrete structures, is evaluated in the paper. The relationships between forms of material damage, visual indication of damage, mechanical compliance of the material and resonant modes in the conductance signature of PZT bonded to a concrete substrate are investigated. The variation in surface strains for incremental levels of loading is monitored using Digital Image Correlation (DIC) and compared with the conductance plot of the PZT. Root mean square deviation (RMSD) of the EM conductance close to the resonant peak is used as a damage index and variation in RMSD at different damage states is presented.

2. EXPERIMENTAL PROGRAM

Experiments were performed using 150 mm concrete cubes. Six cubes were cast and cured for 90 days before testing. The cubes were bonded with PZT patches exactly at the center of the side face of the cube using a two-component epoxy. The properties of the concrete and epoxy are given in Table 1. Three cubes were tested to failure to determine the compressive strength of the concrete.

Table 1

Material properties

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The front faces of the cubes were smoothened and a sprayed-on speckle pattern was created for measurement of surface displacements using the full-field optical technique known as digital image correlation (shown in Figure 1a). The baseline signatures of the PZT when attached to the substrate were taken. 20mm x 20mm PZT patches of 1 mm in thickness were used in the experimental study. In a typical impedance measurement, the frequency was varied between 1 kHz and 0.5 MHz at an applied voltage of 1V and data was collected at 800 discrete frequencies. Average of five measurements was collected. Impedance data was collected from the PZT patch in the free-state before attaching the PZT to the concrete cube. The baseline EM conductance signature and image were taken prior to the start of loading. Cubes were subjected to cyclic compressive loading of increasing magnitude where the load amplitude was increased in increments of 10% of the average compressive strength in every cycle. The loading procedure consisted of alternate loading and unloading cycles as shown in Figure 1b. During the loading, the conductance signatures and the image for DIC were recorded on top of the load cycle and after unloading.

Figure 1

(a). Experimental set-up (b). Applied loading history

2007-6835-ralconpat-20-01-00004-gf6.png

3. ELECTRO-MECHANICAL IMPEDANCE OF PZT

In a PZT material, the application of an electrical field results in mechanical strain in the material due to the coupled electro-mechanical constitutive relations. For a PZT patch attached to a substrate subjected to an applied electrical input, the motion of the interface subjected to continuity conditions is governed by the combined mechanical impedance of the structure and the PZT. The constrained motion in turn produces a change in the measured electrical impedance. The first systematic attempt to derive the electrical impedance of the PZT which is mechanically connected to a structure using a 1D idealization of the system was developed by Liang et al., 1994. Subsequent improvements in modelling the PZT response have included the effective 1-D model of the PZT and varying levels of idealization of the structural impedance (Bhalla et al., 2004; Xu and Liu, 2002; Yang et al., 2005,2008). Most of the available analytical solutions are applicable for 1 or 2-D idealizations of the PZT, substrate or both. Typically, the complex electrical admittance ( Y-) of the PZT patch for a given electrical input at a frequency can be represented as a function of Y-ZA,ZS, ω, li,E.where ZA And ZS are the mechanical impedance of the PZT and substrate respectively. l i , represent the dimensions of patch (length, breadth or thickness) and E is the electric field applied for actuation with circular frequency ω .

The conductance, which is the real part of admittance of the free PZT and the PZT bonded to the 150 mm concrete cube are shown in Figure 2. It can be seen that resonance peaks associated with the free vibration of the PZT can also be identified in the response of the PZT attached to the concrete cube. Only three prominent peaks are identified in the conductance spectrum of the bonded PZT. Peaks 1 and 2 in the conductance spectrum of the bonded PZT correspond with modes 1 and 3 respectively of the PZT. The third peak in the conductance response of the bonded PZT has contributions from closely spaced modes 5 and 6 of the PZT. There are several prominent changes associated with the frequency of the resonant modes and the relative magnitude of the resonant peaks. There is a noticeable decrease in values of conductance, an increasing baseline trend which increases the magnitude of conductance with increasing frequency and a change in the relative magnitudes of the resonant peaks in the bonded state. There is also a significant broadening of the resonance peaks compared with the free-state.

Figure 2

Conductance spectrum of PZT in the free condition and coupled with a 150 mm concrete cube.

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The resonance peaks shift to higher frequencies, with a larger frequency shift in lower modes. The resistance to the motion of the PZT by the substrate is reflected in the overall decrease in the value of conductance. While the conductance of the free PZT is essentially zero between resonant peaks, the conductance is non-zero between the resonant peaks for the bonded PZT. The resistance to the motion of a point located on the surface of the cube, given by the driving point impedance, influences the motion of the bonded PZT. The frequency dependency of the substrate driving point impedance is reflected in the relative shifts in the amplitudes and the general increasing trend in the background of the measured conductance. The influence of the substrate can also be identified with the overall increase in the frequency and broadening of the resonant peaks.

4. ANALYSIS OF RESULTS

From the results of the numerical analysis of surface bonded PZT carried out in COMSOL multiphysicsTM, the first peak was not well defined for concrete. The second peak was well defined and sensitive to the change in elastic modulus. The second peak in the EM conductance response of the bonded PZT was selected for evaluating the influence of load-induced damage. The conductance signatures at the second peak of the bonded PZT response after unloading from different load levels are shown in Figure 3 a, b.

Figure 3

Electrical conductance signatures: a. 30%-50% of strength b. 60%-90% of strength

2007-6835-ralconpat-20-01-00004-gf8.png

The second peak is centered on 255 kHz. The response between 245 and 265 kHz is plotted in the figures. Contours of horizontal strain at distinct loading obtained from the DIC technique are shown in Figure 4. It can be clearly identified from the plot that the unloading signature at 40%u shows a shift to lower frequencies. This is due to the incipient damage produced in the concrete. Horizontal strain contour shows an increase in strain levels (Figure 4). As the load level increases, the resonance peak in the conductance signature shows a consistent leftward shift. Comparing with the measured DIC response, there is no visible sign of distress or cracking up to 70% of strength, while some signs of localization are evident at 60% of peak. Localization of damage into a crack occurs at 70% of strength. Significant changes in the resonant peak associated with the localization are observed. After localization, significant changes are observed in the shape of the resonant peak. At 90% of the compressive strength, the peak showed a significant decrease in amplitude and a flattening of the peak. The flattening of the peak is associated with the formation of a major crack on the surface. The conductance signatures associated with the resonant peak has a very good agreement with the indication of damage obtained from surface strain measurements. Further, changes in EM conductance are observed before any visible sign of distress.

Figure 4

Contours of horizontal strain (exx) obtained using digital image correlation (a) at 40%; (b) at 50%; (c) at 60%; (d) at 70%; (e) at 80%; and (f) at 90% of Strength.

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The root-mean-square deviation (RMSD) is used to measure the differences between values of baseline measurement of conductance signature at the second resonant peak and the corresponding signatures at different load levels. The RMSD for the frequency range 245 kHz-260 kHz with respect to the baseline measurement were calculated using equation (1), where.xi and yi are the signatures obtained from the PZT transducer bonded to the structure before and after damage (or loading) with length N. The scatter in the results obtained from all the specimens is also plotted in the figure.

It can be seen that despite the scatter, there is an increasing trend of RMSD with each level of loading as shown in the Figure 5a. The variation in the average vertical strains recorded at the top and bottom of the load cycles obtained from DIC measurements are also plotted in Figure 5b. It can be seen that the level of damage assessed using the RMSD variation of the second resonant peak compares well with the evolution of plastic strain and increase in mechanical compliance. There is an exponential increase in the evolution of plastic strain with loading. Plastic strain is an indicator of level of damage in the material. This corresponds with the observed trend in the RMSD measured with loading.

(1)
2007-6835-ralconpat-20-01-00004-g007.gifRMSD=i=1N(yi-xi)2i=1Nxi2

Figure 5

(a). RMSD of the second resonance peak (b). Average vertical strain (ɛ yy ) obtained from DIC

2007-6835-ralconpat-20-01-00004-gf10.png

5. CONCLUSIONS

The potential of using EM impedance measurements of surface mounted PZT patches for structural health monitoring of concrete structures is established. It is shown that there are changes in resonant behavior of the EM conductance response of the PZT bonded to a concrete substrate with increasing damage. The PZT sensor detects incipient damage significantly earlier than the appearance of visible signs of damage. There is an amplitude reduction and frequency shift of the PZT resonance peak with an increase in damage in the concrete substrate. At higher damage levels, there is flattening of the resonant peak associated with localization and formation of a major crack.

6. ACKNOWLEDGEMENTS

This work was supported by Grant No. SB/S3/CEE/0013/ 2013 from the SERB Unit of the Department of Science and Technology, Ministry of Science and Technology, India.





1. INTRODUÇÃO

O Monitoramento de Saúde Estrutural (SHM) é um processo de avaliação da integridade estrutural e do nível de danos na estrutura durante sua vida útil. O SHM baseia-se em procedimentos de avaliação não-destrutiva (NDE) e monitoramento contínuo dos parâmetros estruturais para determinar a intensidade e localização dos danos. Isso envolve sensores, sistema de aquisição de dados e ferramentas de processamento de sinal.

Sinais de perdas de resistência em concreto são frequentemente associados com fissuras visíveis. Uma vez que o concreto é um material frágil, que é fraco na tração, a fissuração é a manifestação de danos no material que resulta das tensões de tração no material. Os danos induzidos pela tração no concreto podem resultar da aplicação de cargas ou de fontes internas tais como retração ou corrosão da armadura.

A iniciação de danos ocorre na forma de microfissuras distribuídas, que eventualmente se localizam para formar fissuras. Muitas vezes, o dano, particularmente nos estádios incipientes, não é diretamente visível e, no momento em que os sinais de perda de resistência surgem na superfície da estrutura, pode já haver danos significativos na estrutura e pode haver uma degradação significativa da capacidade da estrutura.

A detecção precoce dos danos, antes que os sinais visíveis apareçam na superfície da estrutura é essencial para iniciar a intervenção precoce, o que pode efetivamente aumentar a vida útil das estruturas. Métodos para detectar dano incipiente na forma de microfissuras são necessários para fornecer métodos eficazes de monitoramento da saúde estrutural e vida útil das estruturas.

O uso de segmentos de PZT e pastilhas se tornou popular no monitoramento da saúde estrutural. Devido à resposta eletromecânica acoplada de um material PZT, a resposta mecânica de um adesivo PZT sujeito a um potencial elétrico aplicado é influenciado pela restrição elástica proporcionada pelo material do substrato.

O acoplamento do segmento PST a uma estrutura altera a impedância mecânica do PZT, o que produz alterações em suas características de vibração. O monitoramento de mudanças no perfil de impedância elétrica devido a mudanças na impedância mecânica efetiva do substrato é a base para medições em impedância eletromecânica (EM).

As informações sobre o material envolvente estão contidas no perfil de impedância eletromecânica (EMI) de um PZT. Comparando a assinatura de impedância assumida no estado puro e em qualquer outro momento, o dano estrutural pode ser determinado. De um modo geral, produzem-se deslocamentos de frequência e de amplitude relativos ao estado puro (sem danos) (Ayres et al., 1998, Chaudhry et al., 1995, Sun et al., 1995, Park et al., 2000, Zagrai e Giurgiutiu , 2001, Giurgiutiu et al., 2002, 2004, Peairs et al., 2004, Narayanan e Subramaniam, 2016a).

A aplicação da técnica EMI para a detecção de danos em estruturas de concreto requer um estudo cuidadoso da alteração da conformidade do substrato para diferentes formas de danos no material do substrato desde os estádios incipiente até os estáveis visíveis. O uso de PZTs para o monitoramento de saúde da estrutura de concreto foi demonstrado pela habilidade da técnica EMI de registrar mudanças devido à formação de fissuras bem antes da falha (Park et al., 2000; Narayanan e Subramaniam, 2016b).

Diversos outros estudos de danos no concreto usando medições baseadas em impedância de PZTs foram conduzidos usando defeitos incorporados e danos artificiais sob a forma de cortes de máquina (Tseng e Wang, 2004; Dongyu et al., 2010; Wang et al., 2013). O método de impedância EM também tem sido usado para determinar a localização de uma fissura, induzindo fissuras em diferentes posições e profundidades e realizando uma correlação cruzada como índice de dano (Wang et al., 2013). Embora o uso de dano artificial forneça uma percepção significativa, ele não é representativo da conformidade do substrato sob tensão/carga induzindo danos no material.

O uso potencial de EMI em medições baseadas em superfície montada de PZT para identificar a formação de dano incipiente em estruturas de concreto é avaliado neste artigo. São investigadas as relações entre formas de dano material, indicação visual de danos, conformidade mecânica do material e modos ressonantes no perfil de condutância de PZT ligado a um substrato de concreto. A variação nas tensões superficiais para níveis incrementais de carga é monitorada usando a Correlação de Imagem Digital (DIC) e comparada com a parcela de condutância do PZT. O desvio quadrático médio (RMSD) da condutância EM próximo ao pico ressonante é usado como um índice de danos e é apresentada variação na RMSD em diferentes estados de dano.

2. PROGRAMA EXPERIMENTAL

Os experimentos foram realizados com cubos de concreto de 150 mm. Seis cubos foram moldados e curados por 90 dias antes do ensaio. Os cubos foram conectados com segmentos de PZT exatamente no centro da face lateral do cubo usando um epóxi bicomponente. As propriedades do concreto e do epóxi são apresentadas na Tabela 1. Três cubos foram ensaiados até a ruptura para determinar a resistência à compressão do concreto.

Tabela 1

Propriedades dos materiais

2007-6835-ralconpat-20-01-00004-gt3.svg

As faces frontais dos cubos foram suavizadas e um padrão pulverizado foi criado para a medição de deslocamentos de superfície usando a técnica ótica de campo completa conhecida como correlação de imagem digital (mostrada na Figura 1a). Os perfis de linha de base do PZT quando ligadas ao substrato foram tomadas. Utilizaram-se no estudo experimental placas de PZT de 20 mm x 20 mm de 1 mm de espessura. Numa medição de impedância típica, a frequência variou entre 1 kHz e 0,5 MHz a uma tensão aplicada de 1 V e os dados foram recolhidos a 800 frequências discretas. A média de cinco medidas foi coletada.

Figura 1

(a). Configuração experimental (b). Histórico do carregamento aplicado

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Os dados de impedância foram coletados a partir do adesivo PZT no estado livre antes de ligar o PZT ao cubo de concreto. O perfil de condutância EM e a imagem foram tomadas antes do início do carregamento. Os cubos foram submetidos à carga de compressão cíclica de magnitude crescente onde a amplitude da carga foi aumentada em incrementos de 10% da resistência à compressão média em cada ciclo. O processo de carregamento consistiu em ciclos de carga e descarga alternados como mostrado na Figura 1b. Durante o carregamento, os perfis de condutância e a imagem para DIC foram gravadas no topo do ciclo de carga e após a descarga.

3. IMPEDÂNCIA ELETROMECÂNICAS DOS PZT

Num material PZT, a aplicação de um campo elétrico resulta em deformação mecânica no material devido às relações constitutivas eletromecânicas acopladas. Para um segmento PZT ligado a um substrato sujeito a uma entrada elétrica aplicada, o movimento da interface sujeito a condições de continuidade é governado pela impedância mecânica combinada da estrutura e do PZT. O movimento limitado, por sua vez, produz uma alteração na impedância elétrica medida.

A primeira tentativa sistemática para derivar a impedância elétrica do PZT que é conectada mecanicamente a uma estrutura usando uma idealização 1D do sistema foi desenvolvida por Liang et al., 1994. As melhorias subsequentes na modelagem da resposta PZT incluíram o efeito 1-D eficaz Modelo de PZT e níveis variáveis de idealização da impedância estrutural (Bhalla et al., 2004, Xu e Liu, 2002, Yang et al., 2005, 2008).

A maioria das soluções analíticas disponíveis é aplicável para idealizações 1 ou 2-D do PZT, substrato ou ambos. Tipicamente, a entrada elétrica complexa 2007-6835-ralconpat-20-01-00004-i010.gif) do segmento PZT para uma dada entrada elétrica a uma frequência pode ser representada como uma função de 2007-6835-ralconpat-20-01-00004-i011.gif onde 2007-6835-ralconpat-20-01-00004-i012.gif e 2007-6835-ralconpat-20-01-00004-i013.gif são a impedância mecânica do PZT e do substrato, respectivamente. li representa as dimensões do segmento (comprimento, largura ou espessura) e E é o campo elétrico aplicado para atuação com frequência circular 2007-6835-ralconpat-20-01-00004-i014.gif.

A condutância, que é a parte real da admitância do PZT livre e do PZT ligado ao cubo de concreto de 150 mm, está ilustrada na Figura 2. Pode-se observar que os picos de ressonância associados à vibração livre do PZT também podem ser identificados em resposta ao PZT anexado ao cubo de concreto. Apenas três picos proeminentes são identificados no espectro de condutância do PZT ligado. Os picos 1 e 2 no espectro de condutância do PZT ligado correspondem aos modos 1 e 3, respectivamente, do PZT. O terceiro pico na resposta de condutância do PZT ligado tem contribuições dos modos 5 e 6 estreitamente espaçados do PZT. Existem várias mudanças proeminentes associadas com a frequência dos modos ressonantes e a magnitude relativa dos picos ressonantes. Há uma diminuição notável nos valores de condutância, uma tendência de linha de base crescente que aumenta a magnitude da condutância com frequência crescente e uma alteração nas magnitudes relativas dos picos ressonantes no estado ligado. Existe também um alargamento significativo dos picos de ressonância em comparação com o estado livre.

Figura 2

Espectro de condutância de PZT na condição livre e acoplado com um cubo de concreto de 150 mm.

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Os picos de ressonância mudam para frequências mais altas, com um maior desvio de frequência em modos mais baixos.

A resistência ao movimento do PZT pelo substrato se reflete na diminuição global do valor de condutância. Embora a condutância do PZT livre seja essencialmente nula entre picos ressonantes, a condutância não é nula entre os picos ressonantes para o PZT ligado. A resistência ao movimento de um ponto localizado na superfície do cubo, dada pela impedância do ponto de acionamento, influencia o movimento do PZT ligado. A dependência da frequência da impedância do ponto de acionamento do substrato se reflete nas variações relativas nas amplitudes e na tendência geral de aumento no fundo da condutância medida. A influência do substrato pode também ser identificada com o aumento global da frequência e alargamento dos picos ressonantes.

4. ANÁLISE DOS RESULTADOS

A partir dos resultados da análise numérica do PZT ligado à superfície realizado em COMSOL multiphysicsTM, o primeiro pico não foi bem definido para o concreto. O segundo pico foi bem definido e sensível à alteração no módulo de elasticidade. O segundo pico na resposta de condutância EM do PZT ligado foi selecionado para avaliar a influência dos danos induzidos pela carga. Os perfis de condutância no segundo pico da resposta de PZT ligada após descarga a partir de diferentes níveis de carga são mostradas na Figura 3a, b.

Figura 3

Perfis de condutância elétrica: a. 30% -50% da resistência b. 60% -90% da resistência

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O segundo pico é centrado em 255 kHz. A resposta entre 245 e 265 kHz é traçada nas figuras. Os contornos de deformação horizontal em carregamento distinto obtidos a partir da técnica DIC são mostrados na Figura 4. Pode ser claramente identificado a partir da plotagem que a assinatura de descarga a 40% mostra uma mudança para frequências mais baixas. Isto é devido ao dano incipiente produzido no concreto. O contorno de deformação horizontal mostra um aumento nos níveis de deformação (Figura 4). À medida que o nível de carga aumenta, o pico de ressonância no perfil de condutância mostra um deslocamento para a esquerda consistente.

Figura 4

Contornos de deformação horizontal (exx) obtidos utilizando a correlação de imagem digital (a) a 40%; (B) a 50%; (C) a 60%; (D) a 70%; (E) a 80%; E (f) a 90% da resistência.

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Comparando com a resposta DIC medida, não há sinal visível de perda de resistência ou fissuras até 70% da resistência, enquanto alguns sinais de localização são evidentes a 60% do pico. A localização dos danos numa fissura ocorre a 70% da resistência. Observam-se alterações significativas no pico ressonante associado à localização. Após a localização, observam-se alterações significativas na forma do pico ressonante. A 90% da resistência à compressão, o pico mostrou uma diminuição significativa na amplitude e um achatamento do pico. O achatamento do pico está associado à formação de uma fissura maior na superfície. As assinaturas de condutância associadas ao pico ressonante têm um bom acordo com a indicação de danos obtidos a partir de medições de deformação superficial. Além disso, as alterações na condutância EM são observadas antes de qualquer sinal visível de perda de resistência.

O desvio quadrático da raiz (RMSD) é usado para medir as diferenças entre os valores de medição de linha de base do perfil de condutância no segundo pico ressonante e os perfis correspondentes em diferentes níveis de carga. O RMSD para a faixa de frequência de 245 kHz a 260 kHz em relação à medição da linha de base foi calculado utilizando a equação (1), em que 2007-6835-ralconpat-20-01-00004-i016.gif e 2007-6835-ralconpat-20-01-00004-i017.gif são os perfis obtidas do transdutor PZT ligado à estrutura antes e depois do dano (ou carregamento) com o comprimento N. A dispersão nos resultados obtidos de todos os espécimes está também traçada na figura.

Pode ser observado que, apesar da dispersão, existe uma tendência crescente de RMSD com cada nível de carga como mostrado na Figura 5a. A variação nas tensões verticais médias registadas no topo e no fundo dos ciclos de carga obtidos a partir de medições DIC também é representada na Figura 5b. Pode ser visto que o nível de dano avaliado usando a variação RMSD do segundo pico ressonante compara bem com a evolução da deformação plástica e aumento na conformidade mecânica. Existe um aumento exponencial na evolução da deformação plástica com carga.

A deformação plástica é um indicador do nível de danos no material. Isto corresponde à tendência observada na RMSD medida com carga.

(1)
2007-6835-ralconpat-20-01-00004-g018.gifRMSD=i=1N(yi-xi)2i=1Nxi2

Figura 5

(a). RMSD do segundo pico de ressonância (b). Estirpe vertical média (ɛyy) obtida da DIC

2007-6835-ralconpat-20-01-00004-gf6.png

5. CONCLUSÕES

O potencial da utilização de medições de impedância EM de segmentos de PZT montados na superfície para o monitoramento estrutural da saúde de estruturas de concreto é estabelecido. Mostra-se que há mudanças no comportamento de ressonância da resposta de condutância EM do PZT ligado a um substrato de concreto com danos crescentes. O sensor PZT detecta danos incipientes significativamente mais cedo do que a aparência de sinais visíveis de danos. Existe uma redução de amplitude e desvio de frequência do pico de ressonância PZT com um aumento no dano no substrato de concreto. Em níveis de dano mais elevados, há achatamento do pico de ressonância associado à localização e formação de uma fissura maior.

6. AGRADECIMENTOS

Este trabalho foi financiado pela doação SB / S3 / CEE / 0013/2013 da Unidade SERB do Departamento de Ciência e Tecnologia do Ministério da Ciência e Tecnologia da Índia.

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