1. INTRODUÇÃO

O Monitoramento de Saúde Estrutural (SHM) é um processo de avaliação da integridade estrutural e do nível de danos na estrutura durante sua vida útil. O SHM baseia-se em procedimentos de avaliação não-destrutiva (NDE) e monitoramento contínuo dos parâmetros estruturais para determinar a intensidade e localização dos danos. Isso envolve sensores, sistema de aquisição de dados e ferramentas de processamento de sinal.

Sinais de perdas de resistência em concreto são frequentemente associados com fissuras visíveis. Uma vez que o concreto é um material frágil, que é fraco na tração, a fissuração é a manifestação de danos no material que resulta das tensões de tração no material. Os danos induzidos pela tração no concreto podem resultar da aplicação de cargas ou de fontes internas tais como retração ou corrosão da armadura.

A iniciação de danos ocorre na forma de microfissuras distribuídas, que eventualmente se localizam para formar fissuras. Muitas vezes, o dano, particularmente nos estádios incipientes, não é diretamente visível e, no momento em que os sinais de perda de resistência surgem na superfície da estrutura, pode já haver danos significativos na estrutura e pode haver uma degradação significativa da capacidade da estrutura.

A detecção precoce dos danos, antes que os sinais visíveis apareçam na superfície da estrutura é essencial para iniciar a intervenção precoce, o que pode efetivamente aumentar a vida útil das estruturas. Métodos para detectar dano incipiente na forma de microfissuras são necessários para fornecer métodos eficazes de monitoramento da saúde estrutural e vida útil das estruturas.

O uso de segmentos de PZT e pastilhas se tornou popular no monitoramento da saúde estrutural. Devido à resposta eletromecânica acoplada de um material PZT, a resposta mecânica de um adesivo PZT sujeito a um potencial elétrico aplicado é influenciado pela restrição elástica proporcionada pelo material do substrato.

O acoplamento do segmento PST a uma estrutura altera a impedância mecânica do PZT, o que produz alterações em suas características de vibração. O monitoramento de mudanças no perfil de impedância elétrica devido a mudanças na impedância mecânica efetiva do substrato é a base para medições em impedância eletromecânica (EM).

As informações sobre o material envolvente estão contidas no perfil de impedância eletromecânica (EMI) de um PZT. Comparando a assinatura de impedância assumida no estado puro e em qualquer outro momento, o dano estrutural pode ser determinado. De um modo geral, produzem-se deslocamentos de frequência e de amplitude relativos ao estado puro (sem danos) (^{Ayres et al., 1998}, ^{Chaudhry et al., 1995}, ^{Sun et al., 1995}, ^{Park et al., 2000}, ^{Zagrai e Giurgiutiu , 2001}, ^{Giurgiutiu et al., 2002}, ²⁰⁰⁴, ^{Peairs et al., 2004}, ^{Narayanan e Subramaniam, 2016a}).

A aplicação da técnica EMI para a detecção de danos em estruturas de concreto requer um estudo cuidadoso da alteração da conformidade do substrato para diferentes formas de danos no material do substrato desde os estádios incipiente até os estáveis visíveis. O uso de PZTs para o monitoramento de saúde da estrutura de concreto foi demonstrado pela habilidade da técnica EMI de registrar mudanças devido à formação de fissuras bem antes da falha (^{Park et al., 2000}; ^{Narayanan e Subramaniam, 2016b}).

Diversos outros estudos de danos no concreto usando medições baseadas em impedância de PZTs foram conduzidos usando defeitos incorporados e danos artificiais sob a forma de cortes de máquina (^{Tseng e Wang, 2004}; ^{Dongyu et al., 2010}; ^{Wang et al., 2013}). O método de impedância EM também tem sido usado para determinar a localização de uma fissura, induzindo fissuras em diferentes posições e profundidades e realizando uma correlação cruzada como índice de dano (Wang et al., 2013). Embora o uso de dano artificial forneça uma percepção significativa, ele não é representativo da conformidade do substrato sob tensão/carga induzindo danos no material.

O uso potencial de EMI em medições baseadas em superfície montada de PZT para identificar a formação de dano incipiente em estruturas de concreto é avaliado neste artigo. São investigadas as relações entre formas de dano material, indicação visual de danos, conformidade mecânica do material e modos ressonantes no perfil de condutância de PZT ligado a um substrato de concreto. A variação nas tensões superficiais para níveis incrementais de carga é monitorada usando a Correlação de Imagem Digital (DIC) e comparada com a parcela de condutância do PZT. O desvio quadrático médio (RMSD) da condutância EM próximo ao pico ressonante é usado como um índice de danos e é apresentada variação na RMSD em diferentes estados de dano.

2. PROGRAMA EXPERIMENTAL

Os experimentos foram realizados com cubos de concreto de 150 mm. Seis cubos foram moldados e curados por 90 dias antes do ensaio. Os cubos foram conectados com segmentos de PZT exatamente no centro da face lateral do cubo usando um epóxi bicomponente. As propriedades do concreto e do epóxi são apresentadas na Tabela 1. Três cubos foram ensaiados até a ruptura para determinar a resistência à compressão do concreto.

As faces frontais dos cubos foram suavizadas e um padrão pulverizado foi criado para a medição de deslocamentos de superfície usando a técnica ótica de campo completa conhecida como correlação de imagem digital (mostrada na Figura 1a). Os perfis de linha de base do PZT quando ligadas ao substrato foram tomadas. Utilizaram-se no estudo experimental placas de PZT de 20 mm x 20 mm de 1 mm de espessura. Numa medição de impedância típica, a frequência variou entre 1 kHz e 0,5 MHz a uma tensão aplicada de 1 V e os dados foram recolhidos a 800 frequências discretas. A média de cinco medidas foi coletada.

Figura 1 (a). Configuração experimental (b). Histórico do carregamento aplicado 

Os dados de impedância foram coletados a partir do adesivo PZT no estado livre antes de ligar o PZT ao cubo de concreto. O perfil de condutância EM e a imagem foram tomadas antes do início do carregamento. Os cubos foram submetidos à carga de compressão cíclica de magnitude crescente onde a amplitude da carga foi aumentada em incrementos de 10% da resistência à compressão média em cada ciclo. O processo de carregamento consistiu em ciclos de carga e descarga alternados como mostrado na Figura 1b. Durante o carregamento, os perfis de condutância e a imagem para DIC foram gravadas no topo do ciclo de carga e após a descarga.

3. IMPEDÂNCIA ELETROMECÂNICAS DOS PZT

Num material PZT, a aplicação de um campo elétrico resulta em deformação mecânica no material devido às relações constitutivas eletromecânicas acopladas. Para um segmento PZT ligado a um substrato sujeito a uma entrada elétrica aplicada, o movimento da interface sujeito a condições de continuidade é governado pela impedância mecânica combinada da estrutura e do PZT. O movimento limitado, por sua vez, produz uma alteração na impedância elétrica medida.

A primeira tentativa sistemática para derivar a impedância elétrica do PZT que é conectada mecanicamente a uma estrutura usando uma idealização 1D do sistema foi desenvolvida por ^{Liang et al., 1994}. As melhorias subsequentes na modelagem da resposta PZT incluíram o efeito 1-D eficaz Modelo de PZT e níveis variáveis de idealização da impedância estrutural (^{Bhalla et al., 2004}, ^{Xu e Liu, 2002}, ^{Yang et al., 2005}, ²⁰⁰⁸).

A maioria das soluções analíticas disponíveis é aplicável para idealizações 1 ou 2-D do PZT, substrato ou ambos. Tipicamente, a entrada elétrica complexa ) do segmento PZT para uma dada entrada elétrica a uma frequência pode ser representada como uma função de onde e são a impedância mecânica do PZT e do substrato, respectivamente. li representa as dimensões do segmento (comprimento, largura ou espessura) e E é o campo elétrico aplicado para atuação com frequência circular .

A condutância, que é a parte real da admitância do PZT livre e do PZT ligado ao cubo de concreto de 150 mm, está ilustrada na Figura 2. Pode-se observar que os picos de ressonância associados à vibração livre do PZT também podem ser identificados em resposta ao PZT anexado ao cubo de concreto. Apenas três picos proeminentes são identificados no espectro de condutância do PZT ligado. Os picos 1 e 2 no espectro de condutância do PZT ligado correspondem aos modos 1 e 3, respectivamente, do PZT. O terceiro pico na resposta de condutância do PZT ligado tem contribuições dos modos 5 e 6 estreitamente espaçados do PZT. Existem várias mudanças proeminentes associadas com a frequência dos modos ressonantes e a magnitude relativa dos picos ressonantes. Há uma diminuição notável nos valores de condutância, uma tendência de linha de base crescente que aumenta a magnitude da condutância com frequência crescente e uma alteração nas magnitudes relativas dos picos ressonantes no estado ligado. Existe também um alargamento significativo dos picos de ressonância em comparação com o estado livre.

Figura 2 Espectro de condutância de PZT na condição livre e acoplado com um cubo de concreto de 150 mm. 

Os picos de ressonância mudam para frequências mais altas, com um maior desvio de frequência em modos mais baixos.

A resistência ao movimento do PZT pelo substrato se reflete na diminuição global do valor de condutância. Embora a condutância do PZT livre seja essencialmente nula entre picos ressonantes, a condutância não é nula entre os picos ressonantes para o PZT ligado. A resistência ao movimento de um ponto localizado na superfície do cubo, dada pela impedância do ponto de acionamento, influencia o movimento do PZT ligado. A dependência da frequência da impedância do ponto de acionamento do substrato se reflete nas variações relativas nas amplitudes e na tendência geral de aumento no fundo da condutância medida. A influência do substrato pode também ser identificada com o aumento global da frequência e alargamento dos picos ressonantes.

4. ANÁLISE DOS RESULTADOS

A partir dos resultados da análise numérica do PZT ligado à superfície realizado em COMSOL multiphysics^TM, o primeiro pico não foi bem definido para o concreto. O segundo pico foi bem definido e sensível à alteração no módulo de elasticidade. O segundo pico na resposta de condutância EM do PZT ligado foi selecionado para avaliar a influência dos danos induzidos pela carga. Os perfis de condutância no segundo pico da resposta de PZT ligada após descarga a partir de diferentes níveis de carga são mostradas na Figura 3a, b.

Figura 3 Perfis de condutância elétrica: a. 30% -50% da resistência b. 60% -90% da resistência 

O segundo pico é centrado em 255 kHz. A resposta entre 245 e 265 kHz é traçada nas figuras. Os contornos de deformação horizontal em carregamento distinto obtidos a partir da técnica DIC são mostrados na Figura 4. Pode ser claramente identificado a partir da plotagem que a assinatura de descarga a 40% mostra uma mudança para frequências mais baixas. Isto é devido ao dano incipiente produzido no concreto. O contorno de deformação horizontal mostra um aumento nos níveis de deformação (Figura 4). À medida que o nível de carga aumenta, o pico de ressonância no perfil de condutância mostra um deslocamento para a esquerda consistente.

Figura 4 Contornos de deformação horizontal (e_xx) obtidos utilizando a correlação de imagem digital (a) a 40%; (B) a 50%; (C) a 60%; (D) a 70%; (E) a 80%; E (f) a 90% da resistência. 

Comparando com a resposta DIC medida, não há sinal visível de perda de resistência ou fissuras até 70% da resistência, enquanto alguns sinais de localização são evidentes a 60% do pico. A localização dos danos numa fissura ocorre a 70% da resistência. Observam-se alterações significativas no pico ressonante associado à localização. Após a localização, observam-se alterações significativas na forma do pico ressonante. A 90% da resistência à compressão, o pico mostrou uma diminuição significativa na amplitude e um achatamento do pico. O achatamento do pico está associado à formação de uma fissura maior na superfície. As assinaturas de condutância associadas ao pico ressonante têm um bom acordo com a indicação de danos obtidos a partir de medições de deformação superficial. Além disso, as alterações na condutância EM são observadas antes de qualquer sinal visível de perda de resistência.

O desvio quadrático da raiz (RMSD) é usado para medir as diferenças entre os valores de medição de linha de base do perfil de condutância no segundo pico ressonante e os perfis correspondentes em diferentes níveis de carga. O RMSD para a faixa de frequência de 245 kHz a 260 kHz em relação à medição da linha de base foi calculado utilizando a equação (1), em que e são os perfis obtidas do transdutor PZT ligado à estrutura antes e depois do dano (ou carregamento) com o comprimento N. A dispersão nos resultados obtidos de todos os espécimes está também traçada na figura.

Pode ser observado que, apesar da dispersão, existe uma tendência crescente de RMSD com cada nível de carga como mostrado na Figura 5a. A variação nas tensões verticais médias registadas no topo e no fundo dos ciclos de carga obtidos a partir de medições DIC também é representada na Figura 5b. Pode ser visto que o nível de dano avaliado usando a variação RMSD do segundo pico ressonante compara bem com a evolução da deformação plástica e aumento na conformidade mecânica. Existe um aumento exponencial na evolução da deformação plástica com carga.

Figura 5 (a). RMSD do segundo pico de ressonância (b). Estirpe vertical média (ɛyy) obtida da DIC 

A deformação plástica é um indicador do nível de danos no material. Isto corresponde à tendência observada na RMSD medida com carga.

5. CONCLUSÕES

O potencial da utilização de medições de impedância EM de segmentos de PZT montados na superfície para o monitoramento estrutural da saúde de estruturas de concreto é estabelecido. Mostra-se que há mudanças no comportamento de ressonância da resposta de condutância EM do PZT ligado a um substrato de concreto com danos crescentes. O sensor PZT detecta danos incipientes significativamente mais cedo do que a aparência de sinais visíveis de danos. Existe uma redução de amplitude e desvio de frequência do pico de ressonância PZT com um aumento no dano no substrato de concreto. Em níveis de dano mais elevados, há achatamento do pico de ressonância associado à localização e formação de uma fissura maior.