Identification of structural alterations in truss structures by means of piezoelectric stacks

Structural Health Monitoring (SHM) aims to assess the structural integrity of a system by detecting possible alterations, damages and degradation of the mechanical characteristics. The acknowledgment of the residual life of a structure is of vital importance since it might prevent catastrophic events. Generally, the health of a structure is verified by a complex network of sensors that together monitor the change of the dynamic behaviour and of the mechanical properties of a system in time. Often, SHM involves high costs, both economically and under a time perspective. A new method that implies the use of smart materials such as a pattern of piezoelectric sensors tied on a host structure under analysis have been recently developed. The studied structure was a simple beam with piezoelectric patches tied on it. Briefly, it consists in the evaluation of the variation of a particular scalar parameter: the Modal Electro-Mechanical Coupling Factor (MEMCF) that has been proved to be sensible to structural alterations and not to temperature variations. Furthermore, the addition of a negative capacitance circuit in series with the piezoelectric transducer, that in literature is used for vibration control, is able to enhance this MEMCF parameter, overcoming the effect of experimental uncertainties. This research provides numerical and experimental analysis of this new method with 3D structures, in particular truss structures with piezoelectric stacks; verifying the applicability of the technique for systems of more complex geometry.

Lo Structural Health Monitoring (SHM, monitoraggio dello stato di salute di una struttura) si occupa di verificare l'integrità strutturale di un sistema identificando eventuali alterazioni, danni o degradazioni delle caratteristiche meccaniche. La conoscenza della vita residua di una struttura è di vitale importanza in quanto può prevenire eventuali catastrofi. Generalmente la salute di una struttura è verificata da un complesso insieme di sensori che monitorano i cambiamenti della dinamica e delle caratteristiche meccaniche nel tempo. Spesso lo SHM implica costi considerevoli, sotto un punto di vista economico e temporale. Un nuovo metodo che implica l'uso di trasduttori piezoelettrici fissati alla struttura sotto osservazione è stato sviluppato recentemente. Il sistema studiato comprendeva una barra con delle patch piezoelettriche incollate sulla superficie. Brevemente, il metodo consiste nella identificazione della variazione di un parametro scalare adimensionale, il ‘Modal Electro-Mechanical Coupling Factor’, il quale è sensibile alle alterazioni strutturali e insensibile alle variazioni di temperatura. Inoltre, con l'aggiunta di una capacità negativa in serie al trasduttore, che in letteratura è usata per il controllo delle vibrazioni, è possibile aumentare il valore del MEMCF, superando incertezze sperimentali. Questa tesi si occupa di verificare l'applicabilità del metodo, per mezzo di analisi numerica e sperimentale, a strutture reticolari accoppiate con trasduttori piezoelettrici di tipo ‘stack’.