An innovative acoustic emission-based approach for structural health monitoring of prestressed concrete sleepers

The continuous need to provide better safety standards induces the adoption of novel strategies to detect damage development inside the component. It shall be stated that these approaches may be helpful in containing design and maintenance costs. The development of Structural Health Monitoring technologies for railway sleepers may be intended as mandatory, because of their role in the network superstructure, because of the huge number of them put in service and because of the hazy knowledge of their service life. Among many alternatives, the Acoustic Emission technique proves to be one of the most promising, although several limitations shall be highlighted: the prohibitive instrumentation cost and the absence of a proper, cheap and reliable online classification method make impossible the development of a true Structural Health Monitoring by means of Acoustic Emission. This thesis work is a preliminary attempt to develop an affordable but performing technology to be exploited in such sense. In particular, several experiments are carried out and the obtained acoustic responses are compared with the outcomes provided by other technologies, such as Digital Image Correlation and Visual Inspection. All the acoustic histories are refined, choosing proper descriptive parameters, and tools from Pattern Recognition are used to obtain a clusterization of signals. This procedure produces satisfactory results, as the damage signals, the bursts, are highlighted and as it is possible to derive simple mathematical relations to separate them from secondary emissions. Furthermore, it is possible to define a damage index in order to describe the structural health of the sleeper. All these aspects are, in the end, condensed in a system composed by an affordable electronic board and connected to a PC. This is able to produce an online signal discrimination that provides reliable results.

Il permanente bisogno di migliorare gli standard di sicurezza impone la ricerca di nuove strategie per l’osservazione del danneggiamento all'interno delle strutture. E’ utile osservare che questi nuovi approcci possono essere d’aiuto nel contenere i costi di progettazione e di manutenzione. Lo sviluppo di tecnologie di Monitoraggio Strutturale per le traverse ferroviarie è da ritenersi impellente, a causa del loro ruolo nella sovrastruttura ferroviaria, a causa dell’enorme numero di traverse in servizio ed a causa della lacunosa conoscenza della loro vita di esercizio. Tra le varie alternative, l’Emissione Acustica (AE) si rivela essere una delle più promettenti, malgrado esistano diversi limiti: infatti, il costo proibitivo della strumentazione e l’assenza di un adeguato ed economico metodo di classificazione online dei segnali rendono impossibile lo sviluppo di un vero Monitoraggio Strutturale tramite AE. Questo lavoro di tesi è un primo tentativo di sviluppare una tecnologia affidabile ed economica da utilizzare a tale scopo. In particolare, sono state condotte diverse attività sperimentali, dove le risposte acustiche dei componenti sono state rilevate e confrontate con quelle di altre metodologie di indagine come Digital Image Correlation e Controllo Visivo. Un insieme appropriato di features è stato selezionato per la descrizione dei dati acustici e sono stati sfruttati metodi di Pattern Recognition per ottenere una classificazione dei segnali. Tale procedura ha condotto a dei risultati soddisfacenti, in quanto è stato possibile identificare i burst, tipici segnali di danneggiamento, e sono state dedotte semplici relazioni matematiche per discriminarli rispetto alle emissioni acustiche secondarie. Inoltre, è stato possible definire un indice di danneggiamento, al fine di poter descrivere l’integrità strutturale. Infine, questi risultati sono stati sfruttati nell'ideazione di uno strumento di indagine composto da una scheda elettronica economica e da un PC. Tale strumentazione, che effettua una discriminazione in tempo reale dei segnali, risulta in grado di produrre dei risultati adeguati ed affidabili.