Έλεγχος και επεμβάσεις δομικών στοιχείων από ωπλισμένο σκυρόδεμα με ειδικά τσιμεντοκονιάματα και ευφυή υλικά
Authors: Σαπίδης Γεώργιος 
Published: March 2024

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.