Έλεγχος δομικής ακεραιότητας σε υφιστάμενα και σε ενισχυμένα στοιχεία από ωπλισμένο σκυρόδεμα με “ευφυή” πιεζοηλεκτρικά υλικά
Authors: Παπαδόπουλος Νικόλαος 
Published: April 2024

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.