Сравнение динамических характеристик пьезокерамических актуаторов, применяемых в вибродиагностике крупномасштабных конструкций
DOI:
https://doi.org/10.7242/1999-6691/2024.17.3.31Ключевые слова:
мониторинг, неразрушающий контроль, вибродиагностика, актуатор, пьезокерамика, численное моделированиеАннотация
Одним из эффективных методов неразрушающего контроля крупномасштабных конструкций является активная вибродиагностика. Она заключается в локальном динамическом воздействии на объект и регистрации его вибрационного отклика. По совокупности откликов в разных точках определяется механическое состояние предмета исследования. Согласно методу активной вибродиагностики, динамические воздействия реализуются с помощью специальных устройств – актуаторов. На сегодняшний день наибольшее распространение получили пьезокерамические актуаторы. Как правило, они представляют собой пластину из пьззокерамики, которая может располагаться на поверхности объекта или быть внедренной в него. Ранее авторами предложен пьезокерамический актуатор с присоединенной массой, способный создавать более интенсивное воздействие на конструкцию. В данной работе с использованием численного моделирования проведено сравнение эффективности применения модифицированного устройства с традиционными на примере бетонной плиты и модельного 4-этажного здания из железобетона. На основе полученных результатов сделан вывод, что интенсивность упругих волн, возбуждаемых актуаторами трех перечисленных видов, существенно отличается. Пьезокерамическая пластина, размещенная на поверхности конструкции, дает волну с наименьшей амплитудой, у пластины, внедренной в бетон, амплитуда увеличивается в 1.9 раза, у пластины с присоединенной массой – в 12 раз. Вычислительный эксперимент, демонстрирующий распространение упругой волны по элементам модельного здания, позволил оценить интенсивность колебаний на разном расстоянии от источника вибраций. При использовании актуатора с присоединенной массой амплитуда ускорений в точке, удаленной от актуатора на 1.7 м, составила 20 м/с2, на 5.2 м – 5 м/с2; на 8.7 м – 2 м/с2. Ускорения такого уровня могут быть достоверно измерены большинством современных акселерометров, Таким образом, для активной вибродиагностики крупномасштабных железобетонных конструкций наиболее перспективным является применение пьезокерамических актуаторов с присоединенной массой. Включение их в систему мониторинга дает возможность снизить общее число актуаторов и сенсоров за счет увеличения расстояния между ними.
Скачивания
Библиографические ссылки
Hou R., Xia Y. Review on the new development of vibration-based damage identification for civil engineering structures: 2010–2019 // Journal of Sound and Vibration. 2021. Vol. 491. 115741. DOI: 10.1016/j.jsv.2020.115741
Su J., Xia Y., Weng S. Review on field monitoring of high-rise structures // Structural Control and Health Monitoring. 2020. Vol. 27, no. 12. e2629. DOI: 10.1002/stc.2629
Pallarйs F.J., Betti M., Bartoli G., Pallarйs L. Structural health monitoring (SHM) and Nondestructive testing (NDT) of slender masonry structures: A practical review // Construction and Building Materials. 2021. Vol. 297. 123768. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2021.123768
Shardakov I.N., Shestakov A.P., Glot I.O., Bykov A.A. Process of cracking in reinforced concrete beams (simulation and experiment) // Frattura ed Integritа Strutturale. 2016. Vol. 10, no. 38. P. 339–350. DOI: 10.3221/IGF-ESIS.38.44
Abasi A., Sadhu A. Performance Evaluation of Blind Modal Identification in Large-Scale Civil Infrastructure // Infrastructures. 2022. Vol. 7, no. 8. P. 98. DOI: 10.3390/infrastructures7080098
Савин С.Н., Смирнова Е.Э. Проблема определения динамических параметров для прогноза ресурса зданий и сооружений в условиях природных и техногенных ЧС // Вестник гражданских инженеров. 2019.№3. C. 14–19. DOI: 10.23968/1999-5571-2019-16-3-14-19
Яшнов А.Н., Снежков И.И. Опыт диагностики искусственных сооружений методом малых воздействий // Транспортные сооружения. 2019. Т. 6, №3. 23SATS319. DOI: 10.15862/23SATS319
Полякова Л.А. Диагностика размывов опор железнодорожных мостов по частотам собственных колебаний // Вестник Сибирского государственного университета путей сообщения. 2023.№3. C. 5–12. DOI: 10.52170/1815-9265_2023_66_5
Liao W.-I., Chiu C.-K. Seismic Health Monitoring of a Space Reinforced Concrete Frame Structure Using Piezoceramic-Based Sensors // Journal ofAerospace Engineering. 2019.Vol. 32, no. 3. 04019015. DOI: 10.1061/(ASCE)AS.1943-5525.0000999
Song G., Gu H., Mo Y.L., Hsu T.T.C., Dhonde H. Concrete structural health monitoring using embedded piezoceramic transducers // Smart Materials and Structures. 2007. Vol. 16, no. 4. P. 959–968. DOI: 10.1088/0964-1726/16/4/003
Chiu C.-K., Sugianto S., Liao W.-I., Ho C.-E. Crack-based damage quantification for shear-critical HSRC column members using piezoceramic transducers // Engineering Structures. 2019. Vol. 201. 109777. DOI: 10.1016/j.engstruct.2019.109777
Shardakov I., Shestakov A., Tsvetkov R., Glot I. Investigation of the effect of cracks on the vibration processes in reinforced concrete structures // Frattura ed Integritа Strutturale. 2018. Vol. 12, no. 46. P. 383–390. DOI: 10.3221/IGF-ESIS.46.35
Wu F., Chang F.-K. Debond Detection using Embedded Piezoelectric Elements in Reinforced Concrete Structures - Part I: Experiment // Structural Health Monitoring. 2006. Vol. 5, no. 1. P. 5–15. DOI: 10.1177/1475921706057978
Shardakov I., Glot I., Shestakov A., Tsvetkov R., Yepin V., Gusev G. Analysis of Quasistatic Deformation of Reinforced Concrete Structure on the Basis of Acoustic Emission on the Results of Vibration Diagnostics and Acoustic Emission // Procedia Structural Integrity. 2020. Vol. 28. P. 1407–1415. DOI: 10.1016/j.prostr.2020.10.113
Dinh K., Tran K., Gucunski N., Ferraro C.C., Nguyen T. Imaging Concrete Structures with Ultrasonic Shear Waves—Technology Development and Demonstration of Capabilities // Infrastructures. 2023. Vol. 8, no. 3. P. 53. DOI: 10.3390/infrastructures8030053
Lin S., Wang Y. Crack-Depth Estimation in Concrete Elements Using Ultrasonic Shear-HorizontalWaves // Journal of Performance of Constructed Facilities. 2020. Vol. 34, no. 4. 04020064. DOI: 10.1061/(ASCE)CF.1943-5509.0001473
Gao W., Li H., Ho S.C.M. A Novel Embeddable Tubular Piezoceramics-Based Smart Aggregate for Damage Detection in Two-Dimensional Concrete Structures // Sensors. 2019. Vol. 19, no. 7. 1501. DOI: 10.3390/s19071501
Park S., Ahmad S., Yun C.-B., Roh Y. Multiple Crack Detection of Concrete Structures Using Impedance-based Structural Health Monitoring Techniques // Experimental Mechanics. 2006. Vol. 46. P. 609–618. DOI: 10.1007/s11340-006-8734-0
Shardakov I., Shestakov A., Glot I., Gusev G., Epin V., Tsvetkov R. Piezoceramics Actuator with Attached Mass for Active Vibration Diagnostics of Reinforced Concrete Structures // Sensors. 2024. Vol. 24, no. 7. 2181. DOI: 10.3390/s24072181
Новацкий В. Теория упругости. М.: Мир, 1975. 872 с.
Шардаков И.Н., Шестаков А.П., Глот И.О. Определение упругих и диссипативных свойств бетона при динамическом деформировании // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. 2018. №4. C. 127–135. DOI: 10.15593/perm.mech/2018.4.12
Гринченко В.Т., Улитко А.Ф., Шульга Н.А. Механика связных полей в элементах конструкций. Т. 5. Электроупругость. Киев: Наукова думка, 1989. 280 с.
Загрузки
Опубликован
Выпуск
Раздел
Лицензия
Copyright (c) 2024 Вычислительная механика сплошных сред
Это произведение доступно по лицензии Creative Commons «Attribution-NonCommercial» («Атрибуция — Некоммерческое использование») 4.0 Всемирная.