Structural health monitoring by means of smart materials and periodic structures

Non-destructive health monitoring of mechanical structures is one of the most common engineering research filed. Many solutions, which have the basis on systems characteristics in frequency domain, are already known. The thesis proposes a new technique, designed to work with a slender beam. It is based on the combination of periodic characteristics of the periodic structures and electro-mechanical properties of the piezoelectric materials. The method consists in the addition of piezoelectric patches on the structure, and in the acquisition of the vibrations in two measurement points. The investigated beam becomes a periodic system, showing the main characteristic of this type of systems, about wave transmission: the existence of a frequency range in which vibration amplitude is attenuated, called “bandgaps”. The bandgaps amplitude calculation comes from the ratio between the measured vibrations, in frequency domain. The height of the bands must be obtained for the normal case and for the investigated case: a significative difference demonstrates the presence of damage. The method has been developed firstly proposing an analytical model, to quickly predict bandgap position in frequency, and then building a series of FEM numerical models, to analyse the behaviour of the structure when the damage occurs. All the models have been verified realizing an experimental setup, with which validating tests are carried out.

Il monitoraggio, non distruttivo, di sistemi meccanici è uno dei più comuni ambiti di ricerca in campo ingegneristico. Molte soluzioni conosciute sono basate sulle caratteristiche delle strutture, nel dominio delle frequenze. La tesi propone una nuova tecnica, progettata per funzionare con travi snelle, la quale si basa sulla combinazione di caratteristiche delle strutture periodiche e proprietà elettro-meccaniche dei materiali piezoelettrici. Il metodo consiste nell’aggiunta di patch piezoelettriche sulla struttura, e sull’acquisizione delle vibrazioni di due punti di misura. La trave analizzata diventa un sistema periodico, manifestando la più importante proprietà di questo tipo di sistemi, riguardo la trasmissione d’onda: la presenza di un range di frequenze nel quale la vibrazione è attenuata, chiamata “bandgap”. Il calcolo dell’ampiezza del bandgap dipende dal rapporto delle vibrazioni misurate, nel dominio delle frequenze. L’altezza delle bande deve essere ottenuta per il caso normale e per quello sotto osservazione: una differenza significativa dimostra la presenza del danno. Il metodo è stato sviluppato, prima proponendo un modello analitico, per prevedere rapidamente la posizione in frequenza della bandgap, e poi costruendo una serie di modelli numerici ad elementi finiti, per analizzare il comportamento della struttura quando si verifica il danno. Tutti i modelli sono stati verificati realizzando un modello sperimentale, con il quale sono stati effettuati i test di validazione.