Η συνεχώς αυξανόμενη χρήση σύνθετων υλικών στην αεροδιαστημική βιομηχανία στις κρίσιμες δομικές εφαρμογές έχει οδηγήσει στην ανάγκη ανάπτυξης μη καταστροφικών μεθόδων βλάβης. Οι έως τώρα χρησιμοποιούμενες μέθοδοι για την παρακολούθησης βλάβης όπως είναι η ενσωμάτωση πιεζο-κεραμικών αισθητήρων και οπτικών ινών σε σύνθετες κατασκευές έχουν ως αποτέλεσμα την συγκέντρωση υψηλών τάσεων και ροών στην κατασκευή. Η παρούσα διατριβή αποτελεί μια πρωτότυπη προσπάθεια στη ευρύτερη επιστημονική και τεχνολογική κατεύθυνση της ενσωμάτωσης της νάνο-τεχνολογίας στο τομέα σχεδιασμού και κατασκευής νέων συνθέτων υλικών. Πρωταρχικός στόχος είναι η επίτευξη αυξημένων δυνατοτήτων για αποτελεσματική παρακολούθηση της αναπτυσσόμενης βλάβης στο υλικό και κατά προέκταση ελέγχου της δομικής ακεραιότητας των κατασκευών τους. Στο πλαίσιο αυτής της προσπάθειας προτείνεται η καινοτόμα ιδέα της αξιοποίησης των νάνο-σωληνίσκων άνθρακα ως εμποτισμένους αισθητήρες βλάβης μέσα σε συμβατικά ινώδη σύνθετα υλικά άνθρακα με απώτερο στόχο τον καλύτερο μη καταστροφικό έλεγχο της βλάβης με τη μέτρηση της ηλεκτρικής αντίστασης. Οι εξαιρετικά αγώγιμοι ΝΣΑ όταν εμποτιστούν σε πολυμερή (κύρια υλικά μήτρας συνθέτων υλικών) δημιουργούν ένα ηλεκτρικό δίκτυο (percolation network) το οποίο παρέχει την δυνατότητα αγωγής ηλεκτρικού φορτίου αυξάνοντας πολλές τάξεις μεγέθους την αγωγιμότητα του πολυμερούς. Η παρουσία του προαναφερθέντος ηλεκτρικού δικτύου ταυτόχρονα με αυτό των αγώγιμων ινών άνθρακα σε σύνθετα υλικά όπου η μήτρα έχει εμποτιστεί με ΝΣΑ αναμένεται να αυξήσει άμεσα ή έμμεσα τη διακριτική ικανότητα ανίχνευσης της βλάβης μέσω της μέτρησης της ηλεκτρικής αντίστασης. Αρχικά έγινε η επιλογή των υλικών και της διαδικασίας παραγωγής με βάση την υπάρχουσα βιβλιογραφία. Μια τυποποιημένη ρητίνη αεροδιαστημικών εφαρμογών επιλέχθηκε ως υλικό εποξικής μήτρας και χρησιμοποιήθηκε σε όλη τη διάρκεια της εργασίας, όπως αντίστοιχα ο τύπος και οι προδιαγραφές των ανθρακονημάτων που αποτέλεσαν την ινώδη ενίσχυση άνθρακα. Επίσης από την υπάρχουσα βιβλιογραφία διερευνήθηκαν οι διαθέσιμοι τύποι και είδη νάνο-σωληνίσκων άνθρακα (ΝΣΑ) και έγινε η επιλογή τους βάση των ηλεκτρικών ιδιοτήτων τους. Η ερευνητική μεθοδολογία που ακολουθήθηκε στην συνέχεια για την επίτευξη του παραπάνω στόχου μπορεί να χωριστεί σε δύο φάσεις. Στην πρώτη φάση έλαβε χώρα η διερεύνηση και ο προσδιορισμός των καταλληλότερων διαδικασιών/ μεθοδολογιών για ενσωμάτωση των ΝΣΑ στην εποξική μήτρα, που αποτελεί σημαντικό παράγοντα της ποιότητας της διασποράς και ως εκ τούτου της επίτευξης βέλτιστης ηλεκτρικής αγωγιμότητας. Στο στάδιο αυτό, αναζητήθηκαν στη βιβλιογραφία όλες οι υπάρχουσες τεχνικές ανάμιξης και αναγνωρίστηκαν οι βασικές παράμετροι που επηρεάζουν τη διαδικασία. Πιο συγκεκριμένα το ιξώδες του συστήματος (ρητίνη+ΝΣΑ), ο χρόνος και η θερμοκρασία της ανάδευσης και η χημική τροποποίηση των ΝΣΑ αποτέλεσαν ορισμένες από τις παραμέτρους που εξετάστηκαν. Η αξιολόγηση της ποιότητας των μίξεων έγινε με κριτήριο την επίτευξη βέλτιστης ηλεκτρικής αγωγιμότητας μέσω μετρήσεων AC και DC σε συνδυασμό με την χρήση SEM. Μία από τις βέλτιστες τεχνικές ανάδευσης επιλέχθηκε στη συνέχεια για τη μελέτη της επίδρασης της περιεκτικότητας σε ΝΣΑ στην ηλεκτρική αγωγιμότητα της εποξικής ρητίνης σε ένα εύρος περιεκτικοτήτων από 0-1% κ.β. Μέσω αυτής της μεθόδου προσδιορίστηκαν το «κατώφλι διήθησης» ή αλλιώς η κρίσιμη περιεκτικότητα καθώς και η βέλτιστη περιεκτικότητα των ΝΣΑ σε εποξική ρητίνη. Η πρώτη φάση ολοκληρώθηκε με τον ηλεκτρομηχανικό χαρακτηρισμό των νάνο-ενισχυμένων με ΝΣΑ πολυμερών μέσω της μέτρησης της μεταβολής της ηλεκτρικής αντίστασης κατά την παραμόρφωσή τους υπό (α) την επίδραση μόνο-αξονικού ψευδό-στατικού εφελκυστικού φορτίου και (β) την υποβολή εναλλασσόμενου εφελκυστικού φορτίου ως Κυκλική Φόρτιση Αποφόρτιση-Επαναφόρτιση. Η πειραματική μακροσκοπική συμπεριφορά κατέδειξε ενδιαφέρουσα συμπεριφορά που δεν απαντάται σε προγενέστερα αγώγιμα πολυμερή (πχ. Carbon Black, Carbon -Nano-Fibers κτλ.). Στην δεύτερη φάση η έρευνα επικεντρώθηκε στη παρασκευή και στον ηλεκτρομηχανικό χαρακτηρισμό των ινωδών συνθέτων υλικών, όπου η μήτρα είναι η προαναφερθείσα τροποποιημένη με ΝΣΑ. Πρώτο βήμα αποτέλεσε η μελέτη της επίδρασης της παρουσίας και ειδικότερα της περιεκτικότητας των ΝΣΑ στην εποξική μήτρα στην ανισότροπη ηλεκτρική αγωγιμότητα τέτοιων υλικών. Αρχικά επιλέχθηκε ένας ισχυρά ανισότροπος τύπος, αυτός του πολύστρωτου συνθέτου μονής διεύθυνσης (unidirectional CFRP) [0]16. Στο πλαίσιο αναπτύχθηκαν με χρήση της με CFRPs [0]16 με μήτρα τριών διαφορετικών περιεκτικοτήτων σε ΝΣΑ 0% (υλικό αναφοράς), 0.5% και 1% κ.β. Τα δοκίμια που προέκυψαν υποβλήθηκαν σε ηλεκτρομηχανικό χαρακτηρισμό σε (α) μονο-αξονικό ψευδό-στατικό εφελκυσμό και σε (β) Κυκλική Εφελκυστική Φόρτιση-Αποφόρτιση-Επαναφόρτιση. Τα αποτελέσματα επιβεβαίωσαν τις αρχικές εκτιμήσεις και η παρουσία των ΝΣΑ αυξάνει την ευαισθησία της ηλεκτρικής απόκρισης με την εφαρμοζόμενη φόρτιση. Στη συνέχεια, έχοντας αποδείξει ότι η παρουσία των ΝΣΑ έχει θετική επίδραση στην ηλεκτρική παρακολούθηση της βλάβης ακολούθησε η μελέτη της ηλεκτρομηχανικής απόκρισης σε συνθήκες κόπωσης, που αντιπροσωπεύει και τον πιο διαδεδομένο τύπο φόρτισης στις κατασκευές από σύνθετα υλικά. Επίσης για τα ίδια δοκίμια μετρήσεις ηλεκτρικής αγωγιμότητας AC και DC έδειξαν πως η παρουσία των ΝΣΑ στην μήτρα μειώνει την ανισοτροπία του υλικού ως προς αυτή την ιδιότητα. Συνέχεια της παραπάνω έρευνας αποτέλεσε η ανάπτυξη ψευδό- ισότροπων ινωδών σύνθετων υλικών CFRPs [0,+45,90,45]nS (τυπική σύνθετη δομή αεροπορικών κατασκευών) μήτρας εποξικής ρητίνης και εμποτισμένης εποξικής ρητίνης με ΝΣΑ περιεκτικότητας 0.5% κ.β. στην παρούσα φάση εκτός από τα προαναφερθέντα πειράματα κατά κύριο λόγω διερευνήθηκε η ηλεκτρομηχανική απόκριση του υλικού σε κόπωση. Η συχνότητα της κόπωσης παρέμεινε σταθερή, όπως και ο λόγος της ελάχιστης εφαρμοζόμενης τάσης προς την μέγιστη (λόγος R), ενώ εξετάστηκαν τρία (3) διαφορετικά επίπεδα φόρτισης (Stress levels) με σκοπό την μελέτη πιθανή εξάρτησης της ηλεκτρομηχανικής απόκρισης. Παράλληλα καταγράφηκε και η θερμοκρασία του υλικού για την αφαίρεση τυχόν επιδράσεων της στη απόκριση της ηλεκτρικής αντίστασης. Ταυτόχρονα, χρησιμοποιήθηκε σύστημα ακουστικής εκπομπής με απώτερο στόχο την συσχέτιση των μετρήσεων των 2 τεχνικών ΜΚΕ. Η ανάλυση των πειραματικών αποτελεσμάτων έδειξε ότι η συμπεριφορά των ψευδους ισότροπων συνθέτων υλικών σε σχέση αυτής των μονής διεύθυνσης και αυτής των ορθότροπων υλικών εμπεριέχει πιο σύνθετη απόκριση λόγω της ύπαρξης των [45ο] στρώσεων. Παράλληλα, η ηλεκτρική απόκριση τους συσχετίστηκε με τις μετρήσεις της υποβάθμισης του μέτρου ελαστικότητας αλλά και τις μετρήσεις της ακουστικής εκπομπής επιβεβαιώνοντας «ηλεκτρικά» χαρακτηριστικές περιοχές βλάβης. Βάση αυτών των παρατηρήσεων έγινε μια απόπειρα μελέτης της δυνατότητας πρόγνωσης της τελικής αστοχίας μέσω της μετρούμενης ηλεκτρομηχανικής απόκρισης με πολύ ενθαρρυντικά αποτελέσματα. Προς σε αυτή τη κατεύθυνση, η παρουσία των ΝΣΑ έδειξε μια πιο ομαλή ηλεκτρομηχανική συμπεριφορά που βελτιστοποιεί την αξιοπιστία της πρόβλεψης, παρατήρηση που αποτελεί και την ολοκλήρωση του κύριου όγκου έρευνας της παρούσας διδακτορικής εργασίας. / The increasing usage of composite materials in the aerospace industry in critical structural applications has proved the need for health monitoring of those structures. In the past piezo-ceramic particles and optic fibres have been integrated into composite structures so as to serve as health monitoring sensors but they introduced flaws and high stress concentration to the structures. In the current PhD thesis a different approach was used; to use the material itself as an inherent structural monitoring sensor. In order to achieve that the matrix material of the epoxy reinforced composite has to be doped with Carbon Nanotubes (CNTs). Carbon nanotubes are reported to have excellent mechanical, thermal and electrical properties. The CNTs have to be dispersed into the epoxy matrix and above certain per weight percentage into the matrix where they form a conductive percolating network. By monitoring the changes of the electrical resistivity of this network is possible to track any load, strain or even damage stages of the material. In other words a step towards a multifunctional material is made since an enhancement also in the mechanical properties is expected from the presence of the CNTs. At the first chapters of the PhD an extensive evaluation of the dispersion method takes place. Different times and speeds of the high-shear mechanical device that was used for the dispersion of the Multi-Wall CNTs (MWCNTs) into the epoxy polymer are evaluated via electrical measurements (both DC and AC) along with SEM investigations. The next step involved the investigation on the % p.wt of the CNTs into the polymer matrix ranging from 0-1%. With this method both the optimum CNT concentration and the percolation network were established. Beside the aforementioned tests, tensile tests with on line Electrical Resistivity Changes Measurement (ERCM) along the loading axis, took place using a digital multimeter. The tensile tests were both quasi static and loading-unloading. It was proved that the load-strain variation can be tracked for the nano-doped polymers. The percolation threshold for the given system was calculated for both AC and DC to be above 0.3% p.wt and that the optimum CNT content was established at 0.5% while at 0.1% the CNTs tended to behave as flaws due to the large number of agglomerations. The next chapter describes the work of using the conclusion of the previous chapter to manufacture unidirectional CFRPs with aerospace epoxy matrix with 0,0.1,0.5 and 1% p.wt CNT. The CFRP were manufactured by wet lay-up and autoclave methods. The specimens were subjected to both quasi static and loading-unloading tensile test with on-line ERCM. The nano-enhanced composites proved to have inherent sensing abilities and as the CNT content increased the more sensitive the load monitoring was. Moreover, for the loading-unloading tests (5 cycles) it was noted that the nano-composites were able to track the initial damage of the coupons by irreversible ERCM changes. The AC and DC conductivity was also measured and it was proved that the presence of the CNTs in the matrix reduce the electrical anisotropy of the composite. The 0.5 % p.wt CNTs into the epoxy matrix proved to be the optimised content for FRP manufacturing since not only proved to give very good all overall results but also it is easier to manufacture when compared with 1% (high viscosity). Further in the research two quasi-isotropic CFRPs were manufactured as above with 0 and 0.5% CNTs. The quasi lay-up was chosen so as to be representative of a typical aerospace structural component. Besides the aforementioned tensile tests with ERCM, the main investigation took place on tension-tension fatigue tests with ERCM. In this case due to the nature of the samples (many fiber contacts) the differences in the ERC measurements were not as obvious as before, but by further mathematically-statistically analyzing the results a model of estimation of fatigue life life is presented. The principal of health monitoring of composite structures enhanced with CNTs, was also proved for cross-ply Kevlar FRPs (KFRPs) with 1% p.wt in the matrix material and with the same amount of CNTs in gramms in as received form spread by hand at the mid-plane. Finally one can highlight the results of the current PhD thesis as follows: the principle of manufacturing and testing a multi-functional composite material with the use of CNTs has been proved. The dispersion of the nano-fillers took place using a high shear mixing device and the parameters were optimised. The percolation threshold was calculated above 0.3% p.wt and wt and that the optimum CNT content was established at 0.5% while at 0.1% the CNTs tended to behave as flaws due to the large number of agglomerations. The nano-reinforced polymers became semi-conductors and showed the ability to track load-starin variation via ERCM. The nano-reinforced polymer was used as matrix materials for CFRPs. The optimum CNT contents was established at 0.5% p.wt. The presence of CNTs not olny improved the mechanical properties but also provided to the materials sensing abilities via ERCM on several load cases i.e.tensile and fatigue. The proof of concept was also demonstrated using KFRPs.

Damage identification is an important topic in structural assessment and structural health monitoring (SHM). Vibration-based identification techniques use modal data to identify the existence, location and severity of possible damages in structures, often via a numerical model updating procedure. Among other factors influencing the practicality and reliability of a damage identification approach, two are of primary interest to this study. The first one concerns the amount and quality of modal data that can be used as ‘response’ data for the model updating. It is generally recognised that natural frequencies can be measured with relatively high accuracy; however, their number is limited. Mode shapes, on the other hand, are susceptible to larger measurement errors. Seeking additional modal frequency data is therefore of significant value. The second one concerns the errors at the numerical (finite element) model level, particularly in the representation of the effect of damage on the dynamic properties of the structure. An inadequate damage model can lead to inaccurate and even false damage identification. The first part of the thesis is devoted to enhancing the modal dataset by extracting the so called ‘artificial boundary condition’ (ABC) frequencies in a real measurement environment. The ABC frequencies correspond to the natural frequencies of the structure with a perturbed boundary condition, but can be generated without the need of actually altering the physical support condition. A comprehensive experimental study on the extraction of such frequencies has been conducted. The test specimens included steel beams of relatively flexible nature, as well as thick and stiffer beams made from metal material and reinforced concrete, to cover the typical variation of the dynamic characteristics of real-life structures in a laboratory condition. The extracted ABC frequencies are subsequently applied in the damage identification in beams. Results demonstrate that it is possible to extract the first few ABC frequencies from the modal testing in different beam settings for a variety of ABC incorporating one or two virtual pin supports. The inclusion of ABC frequencies enables the identification of structural damages satisfactorily without the necessity to involve the mode shape information. The second part of the thesis is devoted to developing a robust model updating and damage identification approach for beam cracks, with a special focus on thick beams which present a more challenging problem in terms of the effect of a crack than slender beams. The priority task has been to establish a crack model which comprehensively describes the effect of a crack to reduce the modelling errors. A cracked Timoshenko beam element model is introduced for explicit beam crack identification. The cracked beam element model is formulated by incorporating an additional flexibility due to a crack using the fracture mechanics principles. Complex effects in cracked thick beams, including shear deformation and coupling between transverse and longitudinal vibrations, are represented in the model. The accuracy of the cracked beam element model for predicting modal data of cracked thick beams is first verified against numerically simulated examples. The consistency of predictions across different modes is examined in comparison with the conventional stiffness reduction approach. Upon satisfactory verification, a tailored model updating procedure incorporating an adaptive discretisation approach is developed for the implementation of the cracked beam element model for crack identification. The updating procedure is robust in that it has no restriction on the location, severity and number of cracks to be identified. Example updating results demonstrate that satisfactory identification can be achieved for practically any configurations of cracks in a beam. Experimental study with five solid beam specimens is then carried out to further verify the developed cracked beam element model. Both forward verification and crack damage identification with the tested beams show similar level of accuracy to that with the numerically simulated examples. The cracked beam element model can be extended to crack identification of beams with complex cross sections. To do so the additional flexibility matrix for a specific cross-section type needs to be re-formulated. In the present study this is done for box sections. The stress intensity factors (SIF) for a box section as required for the establishment of the additional flexibility matrix are formulated with an empirical approach combining FE simulation, parametric analysis and regression analysis. The extended cracked beam element model is verified against both FE simulated and experimentally measured modal data. The model is subsequently incorporated in the crack identification for box beams. The successful extension of the cracked beam element model to the box beams paves the way for similar extension to the crack identification of other types of sections in real-life engineering applications.

Changes in load characteristics, deterioration with age, environmental influences and random actions may cause local or global damage in structures, especially in bridges, which are designed for long life spans. Continuous health monitoring of structures will enable the early identification of distress and allow appropriate retrofitting in order to avoid failure or collapse of the structures. In recent times, structural health monitoring (SHM) has attracted much attention in both research and development. Local and global methods of damage assessment using the monitored information are an integral part of SHM techniques. In the local case, the assessment of the state of a structure is done either by direct visual inspection or using experimental techniques such as acoustic emission, ultrasonic, magnetic particle inspection, radiography and eddy current. A characteristic of all these techniques is that their application requires a prior localization of the damaged zones. The limitations of the local methodologies can be overcome by using vibration-based methods, which give a global damage assessment. The vibration-based damage detection methods use measured changes in dynamic characteristics to evaluate changes in physical properties that may indicate structural damage or degradation. The basic idea is that modal parameters (notably frequencies, mode shapes, and modal damping) are functions of the physical properties of the structure (mass, damping, and stiffness). Changes in the physical properties will therefore cause changes in the modal properties. Any reduction in structural stiffness and increase in damping in the structure may indicate structural damage. This research uses the variations in vibration parameters to develop a multi-criteria method for damage assessment. It incorporates the changes in natural frequencies, modal flexibility and modal strain energy to locate damage in the main load bearing elements in bridge structures such as beams, slabs and trusses and simple bridges involving these elements. Dynamic computer simulation techniques are used to develop and apply the multi-criteria procedure under different damage scenarios. The effectiveness of the procedure is demonstrated through numerical examples. Results show that the proposed method incorporating modal flexibility and modal strain energy changes is competent in damage assessment in the structures treated herein.