X-ray diffraction NDT for the assessment of residual stresses in post-tensioned reinforced concrete beams

In this thesis, the accuracy of X-Ray Diffraction (XRD) testing for the assessment of residual stresses in the tendons of post-tensioned reinforced concrete beams is evaluated. The work is based on validated theoretical models and widespread norms that describe the phenomenon and addresses the validity of application to civil structures of this established technology in material science with multiple experiments. The repeatability of the XRD test is evaluated by way of applying the technology on beam models based on the most common post-tensioned structural elements. The thesis starts with an introduction of the history, application and issues related to the technology as well as the main reasoning behind this research. In chapter 2 the focus is the state of the art of post-tensioning and in particular the issue of tension losses in tendons. This prevalent technology is present in many decaying infrastructures and the issue of reliability as it relates to the maintenance of the design tensions can be meaningfully addressed with Non Destructive Testing (NDT). Chapter 3 is on XRD and the state of the art of this emerging technology. Chapter 4 goes over the design of the experiments. Using the theoretical framework and research goals defined in the previous chapters, the specimens are designed with the tools and restrictions of the laboratory in Politecnico di Milano. The development of the experiment is also described with photographic documentation. The last chapter is focused on the description of the results. The study is divided in mechanical experiments and XRD testing, the first making use of load cells and LVDT for monitoring and the second X-Ray emitters and post processing. The outcome is a well rounded examination of a physical model of in-situ testing conditions.

In questa tesi viene valutata l’accuratezza delle prove di Diffrazione a Raggi X (XRD) per la valutazione delle tensioni residue nei trefoli di travi in calcestruzzo armato post-tese. Il lavoro si basa su modelli teorici validati e su normative diffuse che descrivono il fenomeno e si prefige di esaminare la validità in campo civile di questa tecnica, molto diffusa nel campo della tecnologia dei materiali, con molteplici esperimenti. La ripetibilità della prova XRD è valutata applicando la tecnologia a modelli di trave basati sui più comuni elementi strutturali post-tesi. La tesi inizia con un’introduzione alla storia, all’applicazione e alle problematiche relative alla tecnologia, nonché alle principali motivazioni alla base di questa ricerca. Nel capitolo 2 l’argomento è lo stato dell’arte della post-tensione e in particolare il problema delle perdite di carico nei cavi da post-tensione. Questa tecnologia molto diffusa è presente in infrastrutture in stato di degrado e il problema della sicurezza in relazione al mantenimento delle tensioni di progetto può essere affrontato in modo significativo con delle Prove Non Distruttive (NDT). Il capitolo 3 è dedicato alla XRD e allo stato dell’arte di questa tecnologia emergente. Il capitolo 4 illustra la progettazione degli esperimenti. Utilizzando il quadro teorico e gli obiettivi di ricerca definiti nei capitoli precedenti, i provini sono progettati con gli strumenti e i vincoli del laboratorio del Politecnico di Milano. Lo sviluppo degli esperimenti è descritto anche con documentazione fotografica. L’ultimo capitolo è incentrato sulla descrizione dei risultati. Lo studio è suddiviso in esperimenti meccanici e prove XRD, i primi utilizzando celle di carico e LVDT per il monitoraggio e le seconde emettitori di raggi X e post-processing. Il risultato della ricerca è un’analisi completa di un modello fisico delle condizioni di prova in situ.