The objective of this study is to investigate the feasibility of an impedance-based damage detection technique using PZT (Lead-Zirconate-Titanate) patches for concrete structures. The impedance-based damage detection method is based on monitoring the changes in the electrical impedance. Those changes in the electrical impedance are due to the electro-mechanical coupling property of the PZT and the host structure. In this study, the PZT patches are bonded on the concrete surface for actuating and sensing the electromechanical impedance at the same time.
This study is divided into two phases. In the first phase, two types of damages are assessed experimentally, of which one is the surface damage and the other is in-depth damage in plain concrete beam specimens. Progressive damage cases are simulated in the concrete specimens by making notches at regular intervals for both types of damages. Numerical simulation is done using commercial software ANSYS to check the validity of the experimental results. In the second phase of this study, realistic multiple damage scenario is created in a reinforced concrete beam by performing a third point bending test. The discrepancies in the electro-mechanical impedance signature are observed from sensors at different locations to assess damage and to predict the location of damage by applying progressive loading in a third point bending test. Emphasis is paid on checking the performance of the PZT sensors in a real damage situation and to detect the location of the multiple shear and flexural cracking by distributed sensors.
Optimal frequency ranges according to thickness and lateral modes of the PZT sensors are selected for the efficient near and far field damage detection. The PZT electrical impedance signatures for intact state of the concrete specimens are compared with impedance signatures of different damage cases. In order to assess the different damage states, the shifts of resonant frequencies and root mean square deviation are used as damage indicators. The correlations of those damage indicators with the damage locations are investigated. This study shows that the impedance-based damage detection is an effective tool for health monitoring of the concrete structures.
본 연구의 목적은 PZT 센서를 이용한 임피던스 기반 손상 검색 기술의 가능성을 고찰해 보는데 있다. 임피던스 기반의 손상 검색방법은 전기적 임피던스의 변화를 관찰하는데 그 기반을 두고 있으며, 이러한 전기적 임피던스의 변화는 PZT 센서와 대상 구조물의 전기적, 기계적 Coupling 효과에 의해 발생한다. 본 연구에서는 PZT patch를 콘크리트 표면에 부착하여 가진과 동시에 전기ㆍ기계적 임피던스를 측정할 수 있도록 하였다.
본 연구는 2단계로 나뉜다. 첫 번째 단계에서는 콘크리트 시험체의 표면적 손상과 깊이 방향의 손상을 실험적으로 평가하였다. 그리고 두 가지 형태의 손상을 일정한 간격의 홈을 파는 방법으로서 점진적 손상의 경우를 Simulation하였다. 수치적인 시뮬레이션은 상용 프로그램인 ANSYS를 사용하여 수행하였고, 이를 통해서 실험결과에 대한 유효성을 검사하였다.
본 연구의 두 번째 단계에서는 철근 콘크리트 빔을 이용한 3점 휨 실험을 통해서 실제적인 다중 손상의 경우를 모사하였다. 3점 휨 실험에서 점진적으로 가해지는 하중에 의해서 생성되는 균열의 위치를 예측하고 손상을 평가하기 위하여 여러 위치에 설치된 PZT 센서로부터 전기, 기계적 임피던스 신호의 차이를 관찰하였다. 본 실험에서는 PZT 센서의 성능이 실제적인 구조물의 손상의 경우에도 발휘될 수 있는가와 분산 배치된 PZT 센서를 이용하여 다수의 전단, 휨 균열의 위치를 감지하는데 중점을 두었다.
효과적인 near and far field 손상 검색을 위해서 PZT 센서의 두께와 Lateral mode에 따라 최적의 주파수 대역을 선택하였다. 콘크리트 시험체의 여러 손상된 상태의 임피던스 신호를 손상되지 않은 상태에 대한 PZT 센서의 전기적 임피던스 신호와 비교하였다. 여러 가지 손상상태를 평가하기 위해서 공명 주파수의 변이와 표준편차를 손상 지표로 삼았고 이러한 손상 지표와 손상 위치와의 관계를 조사하였다. 본 연구를 통해서 임피던스 기반의 손상 검색이 콘크리트 구조물의 건전도를 평가함에 있어서도 효과적임을 확인하였다.
