سنگ‌ دانه‌ های هوشمند: حسگرهای چند منظوره برای سازه‌های بتنی یک آموزش و یک بازنگری

قیمت: 38,000 تومان

دانلود رایگان مقاله

خرید ترجمه مقاله

عنوان فارسی

سنگ‌ دانه‌ های هوشمند: حسگرهای چند منظوره برای سازه‌های بتنی یک آموزش و یک بازنگری

عنوان لاتین

Smart aggregates: multi-functional sensors for concrete structures—a tutorial and a review

این مقاله کار تحقیقاتی پیشگام اخیر نویسندگان در زمینه‌ی سنگ‌ دانه‌ های هوشمند مبتنی بر پیزوسرامیک و کاربردهای نوآوری آنها در سازه‌های شهری بتنی را خلاصه می‌کند. اصل عملیاتی اصلی سنگ‌دانه‌های هوشمند در ابتدا معرفی می‌شود. سنگ‌دانه هوشمند مطرح شده با قراردادن یک مسیر پیزوالکتریک ضد آب با سیم‌های سربی در یک بلوک بتنی کوچک تشکیل می‌شود. سنگ‌دانه‌های هوشمند مطرح شده چند منظوره هستند و می‌توانند سه کار اصلی را انجام دهند: نظارت بر استحکام بتن با سن کم، شناسایی ضربه و نظارت بر سلامت ساختاری. سنگ‌دانه‌های هوشمند مطرح شده قبل از قالب‌گیری سازه بتنی در موقعت مدنظر قرارداده می‌شوند. پیشرفت استحکام بتن با مشاهده‌ی پاسخ موج هارمونیک فرکانس بالای سنگ دانه هوشمند تحت نظارت قرار می‌گیرد. با مشاهده‌ی ولتاژ مدار باز مسیر پیزوسرامیک در سنگ دانه هوشمند ضربه بر سازه بتنی شناسایی می‌شود. برای اهداف نظارت بر سلامت ساختاری، یک سیستم حسگر فعال مبتنی بر سنگ دانه هوشمند برای سازه بتنی طراحی می‌شود. تجزیه و تحلیل بسته موجک به عنوان یک ابزار پردازش سیگنال برای تجزیه و تحلیل سیگنال حسگر استفاده می‌شود. یک شاخص آسیب مبتنی بر تجزیه و تحلیل بسته موجک برای تعیین وضعیت سلامت ساختاری استفاده می‌شود. برای شرح بهتر اطلاعات تاریخه-زمان و موقعیت آسیب، دو نوع ماتریس شاخص آسیب مطرح می‌شوند: یک ماتریس شاخص آسیب حسگر-تاریخچه و یک ماتریس شاخص آسیب حسگر-محرک. برای نشان داده چندکاره بودن سنگ‌دانه‌های هوشمند مطرح شده، انواع مختلف سازه‌های بتنی به عنوان مقاصد آزمایش مورد استفاده قرارگرفته‌اند، از جمله کلاهک‌های خمیده پل بتنی، سیلندرهای بتنی و یک قاب بتنی. نتایج تجربی اثربخشی و چندکاره بودن سنگ‌دانه‌های هوشمند مطرح شده را تایید کرده‌اند. سنگ‌دانه‌های هوشمند چند منظوره پتانسیل به کاررفتن برای نظارت جامع بر سازه‌های بتنی از نخستین مراحل آنها و در سرتاسر طول عمر آنها را دارند.

This paper summarizes the authors’ recent pioneering research work in piezoceramic-based smart aggregates and their innovative applications in concrete civil structures. The basic operating principle of smart aggregates is first introduced. The proposed smart aggregate is formed by embedding a waterproof piezoelectric patch with lead wires into a small concrete block. The proposed smart aggregates are multi-functional and can perform three major tasks: early-age concrete strength monitoring, impact detection and structural health monitoring. The proposed smart aggregates are embedded into the desired location before the casting of the concrete structure. The concrete strength development is monitored by observing the high frequency harmonic wave response of the smart aggregate. Impact on the concrete structure is detected by observing the open-circuit voltage of the piezoceramic patch in the smart aggregate. For structural health monitoring purposes, a smart aggregate-based active sensing system is designed for the concrete structure. Wavelet packet analysis is used as a signal-processing tool to analyze the sensor signal. A damage index based on the wavelet packet analysis is used to determine the structural health status. To better describe the time-history and location information of damage, two types of damage index matrices are proposed: a sensor-history damage index matrix and an actuator–sensor damage index matrix. To demonstrate the multi-functionality of the proposed smart aggregates, different types of concrete structures have been used as test objects, including concrete bridge bent-caps, concrete cylinders and a concrete frame. Experimental results have verified the effectiveness and the multi-functionality of the proposed smart aggregates. The multi-functional smart aggregates have the potential to be applied to the comprehensive monitoring of concrete structures from their earliest stages and throughout their lifetime.