Investigação dos efeitos da variação irregular de temperatura na detecção de dano estrutural baseada na impedância eletromecânica

Abstract

Realizar o monitoramento de estruturas é de fundamental importância para a segurança e bom funcionamento de equipamentos e construções, pois a ocorrência de colapsos estruturais pode colocar em risco tanto os equipamentos quanto os usuários. Atualmente, foram desenvolvidos métodos conhecidos como monitoramento de integridade estrutural (SHM – structural health monitoring). Existem várias técnicas que fazem análises comparativas nas estruturas para avaliar a sua integridade, entre estes métodos está a impedância eletromecânica (E/M) que utiliza diafragmas piezoelétricos fixados ao longo das estruturas. O princípio de funcionamento consiste em aplicar sinal elétrico sobre os polos do diafragma e coletar as assinaturas de impedância eletromecânica simultaneamente. Então, esses dados são armazenados e comparados posteriormente utilizando índices métricos para monitorar e diagnosticar a integridade das estruturas. Existem vários índices métricos, entre eles está o coeficiente de correlação (CCDM – correlation coefficient deviation metric), que provou ser eficiente na identificação de variações nas assinaturas de impedância elétrica. Apesar da impedância eletromecânica ser uma técnica eficiente e oferecer bom custo/benefício, o método presenta diversos desafios, entre eles está a variação de temperatura. Diversos testes experimentais demonstram que a temperatura interfere diretamente sobre as assinaturas de impedância elétrica, causando um deslocamento em frequência e amplitude que pode ser interpretado pelo sistema como dano estrutural. Para compensar os desvios causados pela temperatura, foram desenvolvidas técnicas como o deslocamento de frequência eficaz (EFS – effective frequency shifting). Este método provou ser eficiente quando a superfície da estrutura é aquecida de forma uniformemente distribuída. Esta pesquisa de mestrado teve como proposta investigar os efeitos causados pela distribuição irregular de temperatura sobre a estrutura e observar os métodos atuais de compensação. Os resultados demonstram uma alteração significativa nas assinaturas de impedância, impossibilitando uma compensação com êxito para o correto diagnóstico da estrutura monitorada.

Monitoring structures is of fundamental importance for the safety and proper functioning of equipment and buildings, as the occurrence of structural collapses can endanger both equipment and users. Currently, methods known as structural health monitoring (SHM) have been developed. There are several techniques that make comparative analyzes in the structures to evaluate their integrity, among these methods is the electromechanical (E/M) impedance that uses piezoelectric diaphragms fixed along the structures. The operating principle consists of applying an electrical signal over the diaphragm poles and collecting the electromechanical impedance signatures simultaneously. Then, this data is stored and later compared using metric indices to monitor and diagnose the integrity of the structures. There are several metric indices, among them is the correlation coefficient deviation metric (CCDM), which has proven to be efficient in identifying variations in electrical impedance signatures. Although electromechanical impedance is an efficient technique and offers good cost/benefit, the method presents several challenges, among them is temperature variation. Several experimental tests demonstrate that the temperature directly interferes with the electrical impedance signatures, causing a shift in frequency and amplitude that can be interpreted by the system as structural damage. To compensate for deviations caused by temperature, techniques such as effective frequency shifting (EFS) have been developed. This method proved to be efficient when the surface of the structure is heated in an evenly distributed manner. This master's research aimed to investigate the effects caused by irregular temperature distribution on the structure and observe current compensation methods. The results demonstrate a significant change in the impedance signatures, making it impossible to successfully compensate for the correct diagnosis of the monitored structure.