Detection of structural alterations by means of a piezoelectric pattern

Structural Health Monitoring (SHM) is the branch of engineering which studies the variations of properties in real continuous systems. This implies the assessment of the goodness of a given structure, being it a simple one (a beam, a plate…) or a very complex one (a building, a bridge etc). It is then obvious the importance that SHM has in human lives, since any kind of damage detection can help preventing disasters. SHM takes advantage of the modal analysis of the body under study: any variation of the dynamical and mechanical properties of the system can tell how the structure changes in time. Research is now focused on discovering new techniques in terms of reliability of results, computational cost and economical feasibility. In particular, attention is now addressed to smart materials, since they have proved to have a lot of useful properties to be matched with vibrating systems. Moreover, SHM often implies high computational cost, as explained in the state of the art in the first chapter: the challenge is finding a new, lighter way for damage detection so that a quite simple measurement and a fast post-processing could return useful information about the body condition. That being said, this thesis work presents a new concept of health monitoring: a pattern of piezoelectric sensors is tied on the ''host'' structure, a simple elastic beam. The possible locations of the damage are successfully highlighted - with reasonable uncertainties - by combining different boundary condition of each piezoelectric ''patch'' with the variation of a specific scalar parameter, the Modal Electro-Mechanical Coupling Factor (MEMCF). Besides, it is also proved that this techniques is sensitive to structural alterations due to physical damages and it is not misled by effects due to temperature variations.

Con ‘monitoraggio strutturale’ si intende la branca dell’ingegneria che studia le variazioni delle proprietà fisiche di un sistema meccanico. Ciò comporta la verifica della bontà della struttura, sia essa semplice (una trave, un foglio di lamiera…) o complessa (un edificio, un ponte eccetera). E’ dunque scontata l’importanza che il monitoraggio strutturale ha per l’uomo, dato che qualsiasi abilità nell’individuare danni aiuterebbe a prevenire catastrofi. Il monitoraggio strutturale si basa sull’analisi modale del corpo in esame: qualsiasi variazione delle proprietà dinamiche o meccaniche del sistema è indice di come la struttura cambia nel tempo. La ricerca punta ora sullo sviluppo di nuove tecniche in termini di affidabilità dei risultati, costo computazionale e fattibilità economica. Particolare interesse è focalizzato sui materiali intelligenti, i quali possiedono molteplici proprietà che possono essere combinate con i sistemi vibranti. Inoltre, il monitoraggio strutturale comporta, in genere, alti costi computazionali, come spiegato nello stato dell’arte nel primo capitolo. La sfida consiste nel trovare nuovi - e più leggeri - modalità di rilevazione dei danni, in modo che una semplice misurazione e una rapida elaborazione dei dati comunichi informazioni utili circa le condizioni della struttura. Detto ciò, questo lavoro di tesi presenta un nuovo concetto di monitoraggio strutturale: un ‘pattern’ di sensori piezoelettrici viene accoppiato alla struttura, una semplice trave elastica. Le possibili locazioni del danno sono evidenziate con successo - con un’incertezza accettabile - combinando diverse condizioni al contorno per ogni ‘piezo-cerotto’ assieme alla variazione di un particolare parametro scalare, il ‘Modal Electro-Mechanical Coupling Factor’ (MEMCF). Inoltre, viene anche mostrato che questa procedura è sensibile a variazioni strutturali dovute a difetti fisici, e non è fuorviata da semplici variazioni di temperatura.