Impedance based Concrete Monitoring using Embedded ... - CiteSeerX

9 downloads 2329 Views 430KB Size Report
This paper presents a health monitoring study of concrete specimens using ... important features of embedding PZT inside the host structure are durability and ...
INTERNATIONAL JOURNAL OF CIVIL AND STRUCTURAL ENGINEERING  Volume 1, No 3, 2010  © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing services 

Research article 

ISSN   0976 – 4399 

Impedance based Concrete Monitoring using Embedded PZT Sensors  Venu Gopal Madhav Annamdas 1, 2 , Yaowen Yang 3 , Chee Kiong Soh 3  1 – Faculty, Department of Civil Engineering, Birla Institute of Technology and  Science (BITS), Pilani, Hyderabad Campus, Hyderabad  2 – Visiting Scientist, School of Civil & Environmental engineering, Nanyang  Technological University, Singapore, 639798  3 – Faculty, School of Civil & Environmental engineering, Nanyang Technological  University, Singapore, 639798  [email protected]  ABSTRACT  This  paper  presents  a  health  monitoring  study  of  concrete  specimens  using  embedded  piezoelectric  transducer  (PZT)  via  electromechanical  (EM) impedance technique.  The  main  objective  of  this  research  is  to  present  a  very  easy  method  of  embedding  PZT  sensor  in  concrete for monitoring either fresh or cured concrete. The basic principle;  is to record EM  admittance  signatures  resulted  from  the  actuations  of  PZT  in  the  presence  of  electric  field.  Any deviations in these signatures during the monitoring period indicate disturbance/ damage  in  the  concrete  structure. The  PZT  can  be  either surface  bonded or  embedded,  however  the  important  features of  embedding  PZT  inside  the  host  structure  are durability  and protection  from surface finish, vandalism etc. The embedment of PZT in the structure is not as simple as  surface  bonding  because  there  are  several  issues  such  as  bonding  between  PZT  and  host  structure.  Moreover,  it  should  withstand  the  curing  pressures  and  temperatures  of  the  host  material, etc. The PZT was found to be more effective for metals as compared to non metals  like  concrete.  Thus,  this  paper  presents  a  double  protection  wrap  method  employing  both  metal  and  non  metal,  where  the  first  protection  is  provided  by  a  steel  wire  mesh  and  the  second  is  by  cement  paste.  The  wire  mesh  serves  as  bonding  connector  between  the  host  structure  and  the  PZT,  where  as  cement  paste  provides  connection  between  concrete  and  mesh.  The  implementation  was  verified  on  various  lab  sized  concrete  cubes  and  the  observations were examined by statistical analysis.  Key words: Concrete, monitoring, damage, curing, PZT, root mean square deviation.  1.  Introduction  In the  modern  world,  health  monitoring  of  engineering structures  are  gaining  importance  to  pre­empt  failure. Structural  Health  Monitoring  (SHM) of  homogeneous  materials  is  simpler  as  compared  to  non  homogeneous  materials  like  concrete.  However,  most  of  the  civil  engineering constructions are based on non homogeneous concrete. Moreover, monitoring of  concrete  structures  has  many  potential  issues  ranging  from  bonding  of  monitoring  sensors/  systems  on  concrete  to  sensing  abilities  of  such  systems.  Thus,  this  paper  presents  electromechanical  (EM)  impedance based  monitoring  method using  robust  embedded  smart  piezoelectric  (PZT)  sensor.  This  method  employs  PZT  as  both  actuator  and  sensor  either  bonded on the surface or embedded inside the host structure. The governing principle is that  the PZT sensor actuates harmonically in the presence of electric field to produce a structural  response, known as ‘EM admittance signature’. In other words, it is plot of output values of  admittance (conductance or susceptance) for considered frequency of excitation of PZT. The  admittance  signature  is  a  function  of  the  stiffness,  mass  and damping  of  the  host  structure,

414 

INTERNATIONAL JOURNAL OF CIVIL AND STRUCTURAL ENGINEERING  Volume 1, No 3, 2010  © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing services 

Research article 

ISSN   0976 – 4399 

and  the  length,  width,  thickness  and  orientation  of  the  PZT  sensor.  Any  changes  in  the  signature,  is  indicative  of  the  presence  of  structural  damages.  However,  the  PZT’s  performance is not the same for all types of host structures to be monitored. In the recent past,  it  was  established  that  the  PZT  activeness  is  proportional    to  the  host  structural  material  properties. The term activeness refers to the signature accuracies. The PZT activeness can be  arranged  from  higher  to  lower  respectively  for  metal,  concrete,  timber/rubber  etc.  Figure  1  shows the difference in signature generated by PZT, when interacted with two extreme cases  i.e wood and steel host structure (representative signature). 

Figure 1: Electromechanical signatures of (a) wood (b) metal plate  This  paper demonstrates  the usage  of  two different  materials  as  host  to  PZT.  i.e  the  PZT  is  wrapped by both materials (steel and cement), so that the net activeness of PZT lies between  them.  Thus  assembly  of  two  materials  and  PZT  is  named  as  robust  embeddable  PZT patch  and was used for monitoring concrete specimens. It is much simpler to bond PZT on the host  structure;  however  the  important  features  of  embedment  are  durability  and  protection  from  surface finish, vandalism etc . In addition, they do not interfere with the aesthetic beauty of  the  structure.  This  paper  highlights  the  issues  involved  with  embedded  PZT  sensor  and  proposes  a  double  protection  wrap  covers  with  wire  mesh  method  of  embedding  PZT  in  concrete  structures.  The  embedded  PZTs  can  be  more  effective  in  monitoring  the  crucial  areas inside the structure.  2. Smart Material based Monitoring of Concrete  In the last two decades, the development of a real­time, in­service and smart material­based  SHM  method  has  attracted  the  interest  of  a  large  number  of  academic,  industrial,  and  laboratory  researchers  in  the  world.  In  the  recent  past,  PZT  based  EMI  models  were  attempted  for  detection  of  external  loadings  on    and  damages  in  the    structures  to  be  monitored. The applications of PZT are too abundant to list; however, they are mainly used in  the fields of ultrasonics [8], noise and vibration control , acoustic emissions etc. . This paper  deals  with  embedded  PZT,  as  they  can  be  more  effective  in  monitoring  the  crucial  areas  inside the structure, in addition to not interfering with the aesthetic beauty of the structure.  2.1 Experimental setup for embedded PZT based SHM  The  experimental  setup  (Figure  2)  used  for  acquiring  admittance  signatures  consisted  of  a  Hewlett  Packard  4192A  impedance  analyzer,  a  3499A/B  switching  box  and  a  personal  computer. The (bonded or embedded PZT) was wired to the impedance analyzer through the  switch  box,  and  actuated  with  a  sinusoidal  1Volt  electrical  supply.  The  experimental  EM  admittance  signatures  were  then  acquired  for  the  desired  frequency  ranges.  The  EM  admittance is a complex term which can be separated, depending on its magnitude, into real

415 

INTERNATIONAL JOURNAL OF CIVIL AND STRUCTURAL ENGINEERING  Volume 1, No 3, 2010  © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing services 

Research article 

ISSN   0976 – 4399 

and imaginary admittances. However in the present study, the real admittance (also known as  conductance)  is  considered  as  it  is  more  reliable  signal  compared  to  imaginary  part  .  The  concrete  specimen,  through  the  embedded  PZT  patch,  is  connected  to  the  analyzer  through  the multiplexer. 

Figure 2: Schematic diagram of the experimental setup  2.2 Issues involved with embedded PZT sensor  Embedment of PZTs in the structure is not as simple as surface bonding. First and foremost,  the host structure must be made of materials which allow PZT patches to be embedded such  as concrete, laminates or polymers. Next, the embedded PZTs must be non reactive with the  host  structural  materials.  Hence,  the  embedded  PZTs  must  be  properly  isolated  using  inert  materials,  and  yet  properly  bonded  to  the  host  structure.  It  should  not  increase  the  stiffness  and strength of the host structure, i.e. not to influence the original design of the host structure.  It  should  be  reliable  during  electrical  and  mechanical  loading,  and  should  withstand  the  combined mechanical and electrical cyclic loading . The interface between the PZT and the  host  structure  needs  to  have  reliable  electrical  conduction  and  bonding,  hence  needs  sound  inter­connector. Additionally, if the host structure is made of concrete (as in the present case),  the embedded patch must withstand the vibration induced in the casting process. Moreover, it  must withstand the curing pressures and temperatures of the host material.  3. Methods to Fabricate Embeddable PZT  Several  configurations  of  embedded  PZT  are  described  in  the  literature.  The  basic  design  constitutes  PZT;  inter  connectors  (wires),  bonding  adhesive,  and  bonding  fibers  /  layers  assembled  into  an  embeddable  PZT  patch.  Researchers    presented  studies  using  embedded  PZTs,  where  the  sensors  were  sandwiched  inside  layers  of  rubber  or  cardboard  as  show  in  Figure 3. However, all these embeddable PZTs assembled by the various different fabrication  methods  are  not  general  purpose  and  are  mostly  application  based;  for  example,  an  embeddable  patch  prepared  for  axial  load  monitoring  cannot  be  used  for  transverse  load  monitoring  and  vice  versa.  Researchers  chose  design  constituents  such  as  glass­fiber  reinforced  thermoplastics  (GFRP­plies)  or  carbon­fibre  reinforced  thermoplastic  (CFRP)  composite plies, inter connectors and PZT patches. The assembly was achieved by cutting the  composite  plies  and  fitting  the  PZT  patch  into  laminated  composites.  The  materials  for  the  inter  connectors  were  the  same  as  that  of  the  composite.  The  two  inter  connectors  were  placed  on  each  side  of  the  PZT  patch.  Cutouts  in  the  GFRP  or  CFRP  were  made  to  allow  electrical contact between the terminals and the embedded PZT. Elspass et al.  achieved the  electrical  insulation  from  the  upper  and  lower  inter  connectors  by  two  CFRP,  as  shown  in  Figure 3(a). Hagood  et  al.  used  a  cutout  window  of  about  the  same  dimension  as  the  PZT  patch, and slits were cut in the plies directly above and below the PZT patch to allow the inter  connections to be drawn in or out, as shown in Figure 3(b). Hence, the design and fabrication  of such a lay­up is complex. Chen et al.  sandwiched PZT patch between two circular rubber  layers  as  shown  in  Figure  3(c).  The  PZT  was  of  the  same  dimension  as  that  of  the  rubber  layer where the upper/lower inter connector was sandwiched between the patch surface and 416 

INTERNATIONAL JOURNAL OF CIVIL AND STRUCTURAL ENGINEERING  Volume 1, No 3, 2010  © Copyright 2010 All rights reserved Integrated Publishing services 

Research article 

ISSN   0976 – 4399 

the  upper/lower  rubber  layer.  Figure  3(d)  shows  our  design  where  the  PZT  patch  was  completely encapsulated unlike the design of Chen et al to ensure much superior protection.  However  the  PZT  patch  was  not  circular  but  square  in  shape,  and  a  part  of  the  inter  connectors were inside the rubber composite. 

Figure 3: Different methods to fabricate embeddable PZT patches (a) CFRP composite piles,  (b) GFRP composite piles, (c) Rubber layers, (d) Encapsulation of silicon rubber.  In general, the fabrication of embeddable PZT patch is case specific, depends on the type  of  composite  or  materials  into  which  the  PZTs  need  to  be  embedded,  hence,  limiting  their  application. Furthermore, embedded PZT patches can fail if they are not properly assembled,  as experienced  by  our design  where  two out of  three  PZT patches  failed  to  function  after  a  few  days  of  their  embedment  in  three  similar  concrete  cubes  (150  x  150  x  150  mm).  Therefore,  a  more  superior  design  method  for  PZT  embedment  is  presented  here.  The  new  method  assembled  the  embeddable  PZT  in  four  steps,  and  at  every  step  the  admittance  signatures  were  recorded  to  observe  the  changes  and  to  check  whether  the  PZT  was  functioning  normally  without  incurring  any  damage  during  the  fabrication  process.  The  method is presented below,  3.1 Fabrication of Robust Embeddable PZT Patch  Step 1 [‘Free’ PZT patch]: First, two PZT patches of size 10 x 10 x 2.0 mm and grade PIC  151 (www.piceramic.de)  are selected for assembly into two embeddable PZT patches. Two 1  meter length electrical wires are soldered to the electrodes of each PZT patch. The soldered  wires  are  then  connected  to  the  impedance  analyzer  via  the  switch  box  for  recording  the  admittance  signatures  for  the  desired  frequency  ranges.  Admittance  signatures  for  the  two  free (un­bonded and un­embedded) PZTs are recorded.  Step  2  [PZT  patch  wrapped  with  epoxy]:  An  epoxy  adhesive  [www.rs­components.com]  is  wrapped  around  the  PZT patches.  A  nominal  pressure  is  applied  over  the  wrapped  PZT  to  ensure a thin uniform thickness of epoxy layer around the PZT. This epoxy wrap will seal the  PZT  from  all  the  chemical,  mechanical  and  electrical  effects.  The  wrapped  PZT  is  then  allowed to cure under room temperature for 24 hours. The irregular shape of epoxy wrap is  later trimmed. The admittance signatures are again recorded to check if there is any damages  (like crack or breaking in the PZT, etc) incurred during the wrapping process. Figure 4 shows  the  representative  admittance  signatures  of  ‘free’  and  epoxy­wrapped  PZT.  The  free  PZT  signature  is  found  to be  slightly  inconsistent  and the  variations (

Suggest Documents