Structural Health Monitoring (SHM) is the implementation of damage detection and characterization algorithms using in vitro sensing and actuation for rapidly determining faults in structural systems before the damage leads to catastrophic failure. SHM systems provide near real time information on the state of the integrity of civil, mechanical and aerospace structures. A roadblock in implementing SHM systems in practice is the possibility of false positives introduced by environmental changes. In particular, temperature changes can cause many SHM algorithms to indicate damage when no damage exists. While several experimentally based efforts have been attempted to alleviate temperature effects on SHM algorithms, fundamental research on the effects of temperature on SHM has not been investigated. The work presented in this dissertation composes of two main parts: the first part focuses on the experimental studies of different mechanical structures of aluminum beams, lug samples and railroad switch bolts. The experimental study of the aluminum lug samples and beams is done to propose and examine methods and models for in situ interrogation and detection of damage (in the form of a fatigue crack) in these specimen and to quantify the smallest detectable crack size in aluminum structures. This is done by applying the electrical impedance-based SHM method and using piezoceramic sensors and actuators. Moreover, in order to better extract the damage features from the measured electrical impedance, the ARX non-linear feature extraction is employed. This non-linear feature extraction, compared to the linear one, results in detection of damages in the micro-level size and improves the early detection of fatigue cracks in structures. Experimental results also show that the temperature variation is an important factor in the structural health monitoring applications and its effect on the impedance-based monitoring of the initiation and growth of fatigue cracks in the lug samples is experimentally investigated. The electrical impedance-based SHM technique is also applied in monitoring the loosening of bolted joints in a full-scale railroad switch and the sensitivity of this technique to different levels of loosening of the bolts is investigated. The second part of the work presented here focuses on the analytical study and better understanding of the effect of temperature on the vibration-based SHM. This is done by analytical modeling of the vibratory response of an Euler-Bernoulli beam with two different support conditions of simply supported and clamped-clamped and with a single, non-breathing fatigue crack at different locations along the length of the beam. The effect of temperature variations on the vibratory response of the beam structure is modeled by considering the two effects of temperature-dependent material properties and thermal stress formations inside the structure. The inclusion of thermal effects from both of these points of view (i.e. material properties variations and generation of thermal stresses) as independent factors is investigated and justified by studying the formulations of Helmholtz free energy and stresses inside a body. The effect of temperature variations on the vibratory response of the cracked beam are then studied by integrating these two temperature-related effects into the analytical modeling. The effect of a growing fatigue crack as well as temperature variations and thermal loadings is then numerically studied on the deflection of the beam and the output voltage of a surface-bonded piezoceramic sensor. / Ph. D.

Structural health monitoring (SHM) is the process of using measurements of a structure's response to known excitations and trying to determine if damage has occurred to the structure. This also fits the description of non-destructive evaluation (NDE). The main difference is that NDE takes place while the structure is out of service and SHM is intended to take place while the structure is in service. As such, SHM provides the opportunity to provide early warning against structural failure. This thesis intends to advance the state of the art in SHM by examining two approaches to SHM: vibration based and impedance based, and to associate these with the NDE method of stress intensity factors. By examining these methods the goal is to try and answer some of the important questions in SHM process. The first is to experimentally validate a crack model and to see how small of a crack can be detected by vibration methods. The second is to use the concept of stress intensity factor to perform an SHM type of measurement to determine the remaining life of a structure once the impedance method has determined that damage has occurred. The measurement system considered consists of using several different piezoceramic materials as self-sensing actuators and sensors. The structures are a simple beam and a more complex lug element used in aircraft applications. The approach suggested here is to use the impedance and vibration methods to detect crack initiation and then to use the proposed stress intensity method to measure the stress intensity factor of the structure under consideration. / Master of Science

The goal of this work is to investigate the piezoelectricity of composite laminates embedded with layers of zinc oxide (ZnO) nanowires. ZnO nanowire embedded composites have the potential to sense and actuate giving the potential for these smart composites to serve the function of being load bearing structures and monitoring the integrity of the structure. This work examines the piezoelectric characteristics of composite beams by investigating their electromechanical coupling in the form of vibration under the presence of electrical excitation. With the help of a mathematical model, piezoelectric constants are estimated for these samples. A layer of ZnO nanowires were grown on plane woven fiberglass fabric that was incorporated into a carbon fiber epoxy composite. The beam deflection velocity was measured as a varying voltage was applied to the composite. Using Hamilton's Principle and Galerkin's method of weighted residuals, a mathematical model was derived to estimate piezoelectric constants for the composites from the experimental data. Piezoelectric properties were determined using vibrational testing and a mathematical model. Piezoelectric constants h31, g31, and d31 were estimated to be 9.138 E7 V/m, 6.092 E-4 Vm/N, and 2.46 E-14 respectively. To demonstrate the electromechanical coupling, ZnO nanowire composites were bonded to Al beams that were progressively damaged to determine if a change in electrical impedance could be observed to correspond to the change in structural impedance of the host beam. Changes in impedance were detected by a change in root mean squared deviation damage metric M. A significant correlation was shown between increasing damage in the host beam and an increase in damage metric M. / Master of Science / A major problem facing both commercial and military aircraft fleets is aircraft grounded time due to inspection. Inspection times tend to be lengthy since visual inspection cannot detect all types of incurred damage an aircraft may face. In the case of composite aircraft structures, a special type of damage known as delamination (when layers of the composite structure become un-bonded) can occur. Since delamination is not always visible from the surface, and composite structures cannot be taken apart since they are made in one piece; additional damage detection methods are necessary. Impedance-based structural health monitoring (IBSHM) is one technique of nondestructive evaluation (NDE) that examines changes in vibrational response of the structure in order to detect damage. A novel approach to IBSHM is incorporating zinc oxide, a type of piezoelectric material, inside the composites due to its ability to deform in the presence of an electric field or generate a voltage when stressed. The goal of this research is to determine piezoelectric properties of composites with ZnO nanowires grown on inner layers of the laminates. Piezoelectric properties were determined using vibrational testing and a mathematical model. To demonstrate the electromechanical coupling, ZnO nanowire composites were bonded to Al beams that were progressively damaged to determine if a change in electrical impedance could be observed to correspond to the change in structural impedance of the host beam. Changes in impedance were detected by a change in root mean squared deviation damage metric M. A significant correlation was shown between increasing damage in the host beam and an increase in damage metric M.

Für den zielgerichteten Einsatz von präventiven und mitigativen Notfallmaßnahmen sowie zur Beurteilung ihrer Wirksamkeit während auslegungsüberschreitender Unfälle in Druckwasserreaktoren aber auch für Hinweise zum Störfallverlauf und für die Abschätzung der Auswirkungen auf die Anlagenumgebung müssen geeignete Störfallinstrumentierungen vorhanden sein. Insbesondere der Zustand des Reaktordruckbehälterinventars (RDB-Inventar) während der In-Vessel-Phase eines auslegungsüberschreitenden Unfalls lässt sich mit aktuellen Störfallinstrumentierungen nur stark eingeschränkt überwachen, wodurch die o. g. Forderungen nicht erfüllt werden können. Die vorliegende Arbeit beinhaltet detaillierte Untersuchungen für die Entwicklung einer Störfallinstrumentierung, welche eine durchgängige Zustandsüberwachung des RDB-Inventars während der In-Vessel-Phase eines auslegungsüberschreitenden Unfalls ermöglicht. Die Störfallinstrumentierung basiert auf der Messung und Klassifikation von unterschiedlichen Gammaflussverteilungen, welche während der In-Vessel-Phase außerhalb des Reaktordruckbehälters auftreten können. Ausgehend von der Analyse zum Stand von Wissenschaft und Technik wird der modell-basierte Ansatz für Structural Health Monitoring-Systeme genutzt, um eine grundlegende Vorgehensweise für die Entwicklung der Störfallinstrumentierung zu erarbeiten. Anschließend erfolgt eine detaillierte Analyse zu den Vorgängen während der In-Vessel-Phase und eine daraus abgeleitete Definition von Kernzuständen für einen generischen Kernschmelzunfall. Für die definierten Kernzustände werden mittels Simulationen (Monte-Carlo-Simulationen zum Gammastrahlungstransport in einem zu dieser Arbeit parallel laufenden Vorhaben) Gammaflüsse außerhalb des Reaktordruckbehälters berechnet. Die Simulationsergebnisse dienen dem Aufbau von Datenbasen für die Entwicklung und Analyse eines Modells zur Klassifikation von Gammaflussverteilungen. Für die Entwicklung des Klassifikationsmodells kommen drei diversitäre und unabhängig arbeitende Klassifikationsverfahren (Entscheidungsbaum, k-nächste-Nachbarn-Klassifikation, Multilayer Perzeptron) zur Anwendung, um die Identifikationsgenauigkeit und Robustheit der Störfallinstrumentierung zu erhöhen. Die abschließenden Betrachtungen umfassen die Validierung der Störfallinstrumentierung mittels eines Versuchstandes zur Erzeugung unterschiedlicher Gammaflussverteilungen. Im Ergebnis der Untersuchungen konnte die prinzipielle Funktionsweise der entwickelten Störfallinstrumentierung nachgewiesen werden. Unter der Voraussetzung, die Gültigkeit der definierten Kernzustände zu untermauern sowie weitere, nicht in dieser Arbeit betrachtete Kernschmelzszenarien mit in die Entwicklung der Störfallinstrumentierung einzubeziehen, steht somit insbesondere für zukünftige Kernkraftwerke mit Druckwasserreaktoren eine Möglichkeit für die messtechnische Überwachung des RDB-Inventars während auslegungsüberschreitender Unfälle bereit. Die Arbeit leistet einen wesentlichen Beitrag auf dem Gebiet der Reaktorsicherheitsforschung sowie für den sicheren Betrieb von kerntechnischen Anlagen.

This thesis is about using structural-dynamics based methods to address the existing challenges in the field of Structural Health Monitoring (SHM). Particularly, new structural-dynamics based methods are presented, to model areas of damage, to do damage diagnosis and to estimate and predict the sensitivity of structural vibration properties like natural frequencies to the presence of damage. Towards these objectives, a general analytical procedure, which yields nth-order expressions governing mode shapes and natural frequencies and for damaged elastic structures such as rods, beams, plates and shells of any shape is presented. Features of the procedure include the following: 1. Rather than modeling the damage as a fictitious elastic element or localized or global change in constitutive properties, it is modeled in a mathematically rigorous manner as a geometric discontinuity. 2. The inertia effect (kinetic energy), which, unlike the stiffness effect (strain energy), of the damage has been neglected by researchers, is included in it. 3. The framework is generic and is applicable to wide variety of engineering structures of different shapes with arbitrary boundary conditions which constitute self adjoint systems and also to a wide variety of damage profiles and even multiple areas of damage. To illustrate the ability of the procedure to effectively model the damage, it is applied to beams using Euler-Bernoulli and Timoshenko theories and to plates using Kirchhoff's theory, supported on different types of boundary conditions. Analytical results are compared with experiments using piezoelectric actuators and non-contact Laser-Doppler Vibrometer sensors. Next, the step of damage diagnosis is approached. Damage diagnosis is done using two methodologies. One, the modes and natural frequencies that are determined are used to formulate analytical expressions for a strain energy based damage index. Two, a new damage detection parameter are identified. Assuming the damaged structure to be a linear system, the response is expressed as the summation of the responses of the corresponding undamaged structure and the response (negative response) of the damage alone. If the second part of the response is isolated, it forms what can be regarded as the damage signature. The damage signature gives a clear indication of the damage. In this thesis, the existence of the damage signature is investigated when the damaged structure is excited at one of its natural frequencies and therefore it is called ``partial mode contribution". The second damage detection method is based on this new physical parameter as determined using the partial mode contribution. The physical reasoning is verified analytically, thereupon it is verified using finite element models and experiments. The limits of damage size that can be determined using the method are also investigated. There is no requirement of having a baseline data with this damage detection method. Since the partial mode contribution is a local parameter, it is thus very sensitive to the presence of damage. The parameter is also shown to be not affected by noise in the detection ambience.

Für den zielgerichteten Einsatz von präventiven und mitigativen Notfallmaßnahmen sowie zur Beurteilung ihrer Wirksamkeit während auslegungsüberschreitender Unfälle in Druckwasserreaktoren aber auch für Hinweise zum Störfallverlauf und für die Abschätzung der Auswirkungen auf die Anlagenumgebung müssen geeignete Störfallinstrumentierungen vorhanden sein. Insbesondere der Zustand des Reaktordruckbehälterinventars (RDB-Inventar) während der In-Vessel-Phase eines auslegungsüberschreitenden Unfalls lässt sich mit aktuellen Störfallinstrumentierungen nur stark eingeschränkt überwachen, wodurch die o. g. Forderungen nicht erfüllt werden können. Die vorliegende Arbeit beinhaltet detaillierte Untersuchungen für die Entwicklung einer Störfallinstrumentierung, welche eine durchgängige Zustandsüberwachung des RDB-Inventars während der In-Vessel-Phase eines auslegungsüberschreitenden Unfalls ermöglicht. Die Störfallinstrumentierung basiert auf der Messung und Klassifikation von unterschiedlichen Gammaflussverteilungen, welche während der In-Vessel-Phase außerhalb des Reaktordruckbehälters auftreten können. Ausgehend von der Analyse zum Stand von Wissenschaft und Technik wird der modell-basierte Ansatz für Structural Health Monitoring-Systeme genutzt, um eine grundlegende Vorgehensweise für die Entwicklung der Störfallinstrumentierung zu erarbeiten. Anschließend erfolgt eine detaillierte Analyse zu den Vorgängen während der In-Vessel-Phase und eine daraus abgeleitete Definition von Kernzuständen für einen generischen Kernschmelzunfall. Für die definierten Kernzustände werden mittels Simulationen (Monte-Carlo-Simulationen zum Gammastrahlungstransport in einem zu dieser Arbeit parallel laufenden Vorhaben) Gammaflüsse außerhalb des Reaktordruckbehälters berechnet. Die Simulationsergebnisse dienen dem Aufbau von Datenbasen für die Entwicklung und Analyse eines Modells zur Klassifikation von Gammaflussverteilungen. Für die Entwicklung des Klassifikationsmodells kommen drei diversitäre und unabhängig arbeitende Klassifikationsverfahren (Entscheidungsbaum, k-nächste-Nachbarn-Klassifikation, Multilayer Perzeptron) zur Anwendung, um die Identifikationsgenauigkeit und Robustheit der Störfallinstrumentierung zu erhöhen. Die abschließenden Betrachtungen umfassen die Validierung der Störfallinstrumentierung mittels eines Versuchstandes zur Erzeugung unterschiedlicher Gammaflussverteilungen. Im Ergebnis der Untersuchungen konnte die prinzipielle Funktionsweise der entwickelten Störfallinstrumentierung nachgewiesen werden. Unter der Voraussetzung, die Gültigkeit der definierten Kernzustände zu untermauern sowie weitere, nicht in dieser Arbeit betrachtete Kernschmelzszenarien mit in die Entwicklung der Störfallinstrumentierung einzubeziehen, steht somit insbesondere für zukünftige Kernkraftwerke mit Druckwasserreaktoren eine Möglichkeit für die messtechnische Überwachung des RDB-Inventars während auslegungsüberschreitender Unfälle bereit. Die Arbeit leistet einen wesentlichen Beitrag auf dem Gebiet der Reaktorsicherheitsforschung sowie für den sicheren Betrieb von kerntechnischen Anlagen.:1 Einleitung 2 Analyse zum Stand von Wissenschaft und Technik 2.1 Sicherheit in deutschen Kernkraftwerken mit Druckwasserreaktor 2.1.1 Mehrstufenkonzept 2.1.2 Störfallinstrumentierungen 2.2 Auslegungsüberschreitende Unfälle mit Kernschmelze in DWR 2.2.1 Auslösende Ereignisse 2.2.2 Grundlegender Ablauf eines auslegungsüberschreitenden Unfall mit Kernschmelze 2.3 Strahlungstechnik, Strahlungsmesstechnik 2.3.1 Grundlagen der Strahlungstechnik 2.3.2 Wechselwirkungen von Gammastrahlung mit Materie 2.3.3 Messung ionisierender Strahlung 2.4 Verfahren und Methoden der Zustandsüberwachung 2.4.1 Zustandsüberwachung 2.4.2 Structural Health Monitoring 2.4.3 Mustererkennung 2.4.4 Entscheidungsbäume 2.4.5 k-nächste-Nachbarn-Klassifikation 2.4.6 Künstliche neuronale Netze 2.5 Schlussfolgerungen aus der Analyse zum Stand von Wissenschaft und Technik 2.5.1 Zusammenfassung zum Kapitel 2 2.5.2 Zielstellung, Aufbau und Abgrenzung der Arbeit 3 Analyse der In-Vessel-Phase und Definition von Kernzuständen 3.1 Detaillierte Analyse der In-Vessel-Phase 3.1.1 Auftretende Temperaturbereiche 3.1.2 Vorgänge während der frühen In-Vessel-Phase 3.1.3 Vorgänge während der späten In-Vessel-Phase 3.1.4 Spaltproduktfreisetzung 3.2 Definition von Kernzuständen für einen generischen Kernschmelzunfall 3.3 Zusammenfassung zum Kapitel 3 4 Datenbasen zur Entwicklung und Analyse des Klassifikationsmodells 4.1 Beschreibung der Monte-Carlo-Simulationsmodell 4.2 Beschreibung der Simulationsergebnisse und Merkmalsextraktion 4.3 Datenbasis zur Entwicklung 4.4 Datenbasen zur Analyse 4.5 Zusammenfassung zum Kapitel 4 5 Entwicklung und Analyse des Klassifikationsmodells 5.1 Beschreibung des Klassifikationsmodells 5.2 Teilmodell 1 - Entscheidungsbaum 5.2.1 Entwicklung 5.2.2 Analyse der Identifikationsgenauigkeit 5.3 Teilmodell 3 - k-nächste-Nachbarn-Klassifikation 5.3.1 Entwicklung 5.3.2 Analyse der Identifikationsgenauigkeit 5.4 Teilmodell 3 - Multilayer Perzeptron 5.4.1 Trainings- und Testdatenbasis 5.4.2 Entwicklung 5.4.3 Analyse der Identifikationsgenauigkeit 5.5 Teilmodell 4 - Vergleichsalgorithmus 5.5.1 Entwicklung 5.5.2 Analyse der Identifikationsgenauigkeit 5.6 Analysen zur Robustheit des Klassifikationsmodells 5.6.1 Ausfall einzelner Gammastrahlungsdetektoren 5.6.2 Gleichzeitiger Ausfall mehrerer Gammastrahlungsdetektoren 5.7 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen für das Kapitel 5 6 Validierung der Kernzustandsüberwachungsverfahren 6.1 Zielstellung und Vorgehensweise 6.2 Versuchstand zur Validierung 6.2.1 Aufbau 6.2.2 Funktionsweise 6.3 Anpassung der Kernzustandsüberwachungsverfahren an den Versuchsstand 6.4 Validierungsexperimente 6.4.1 Experiment 1 - Füllstandsänderungen 6.4.2 Experiment 2 - Quellenbewegungen 6.4.3 Experiment 3 - Füllstandsänderungen, Quellenbewegungen und Änderung von Profilkonturen 6.5 Zusammenfassung und Schlussfolgerungen für das Kapitel 6 7 Zusammenfassung und Ausblick

Die verteilte faseroptische Sensorik (VFOS) auf Basis von Rayleighstreuung stellt ein besonderes und vielversprechendes Verfahren zur Dehnungsmessung im Betonbau und im Structural Health Monitoring (SHM) dar. Neben einer hohen Ortsauflösung und Messempfindlichkeit kann sie geringste Dehnungsänderungen an jedem Punkt der Messfaser erfassen. Für einen zuverlässigen Einsatz fehlen aktuell Material- und Handlungsempfehlungen; in der Literatur finden sich widersprüchliche Aussagen zu den Dehnungsübertragungsverlusten zwischen Substrat und Messfaser. Diesbezüglich beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Validierung des Messverfahrens für Szenarien im Betonbau. Neben der Applikation auf Stahl- und Betonoberflächen wurde die Integration in der Matrix untersucht. Im Zuge dessen sollten die Dehnungsübertragungsverluste verschiedener Fasercoatings bzw. Fasercoating-Klebstoff-Kombinationen überprüft werden. Darüber hinaus wurde ein Auswerteverfahren mithilfe der Programmiersprache Python entwickelt, das eine automatisierte Datenaufbereitung und Substituierung der Messabweichungen der enormen Datenmengen ermöglicht. Im Zuge der Validierung auf der Stahloberfläche wurden die Dehnungswerte der verschiedenen Coating-Klebstoff-Kombinationen an Präzisionsflachstählen im 4-Punkt-Biegeversuch mit einer photogrammetrischen Dehnungsmessung verglichen. Im Rahmen der Validierung auf der Betonoberfläche kamen Betondruckzylinder zum Einsatz, an denen zusätzlich zu den Coating-Klebstoff-Kombinationen der Einfluss einer Grundierung untersucht wurde. Induktive Wegaufnehmer dienten im Verlauf der Druckversuche als Vergleichsmesstechnik. Die Validierung verschiedener Coatingmaterialien in der Matrix fand anhand von Schwindversuchen an Betonprismen statt; als Vergleichsmessmethode dienten digitale Messuhren. Zur Bewertung der aus den Validierungsversuchen abgeleiteten Material- und Handlungsempfehlungen wurden Bauteilversuche an Betonbalken durchgeführt. Die Auswertung der Validierungsversuche zeigte, dass vor allem mit einem Ormocer-Coating gute Ergebnisse hinsichtlich der Dehnungsübertragung erzielt werden konnten. Im Falle einer Applikation empfiehlt sich die Verwendung eines Cyanacrylatklebstoffs -- besonders der M-Bond 200 überzeugte durch geringe Dehnungsverluste. Betonoberflächen sollten vorher geschliffen und mit Epoxidharz grundiert werden. Im Falle einer Integration in die Betonmatrix zeigten auch die Ormocer-Fasern minimale Unterschiede zur Vergleichsmessung. Die Ergebnisse der Bauteilversuche verifizieren die Handlungs- und Materialempfehlungen: Die Dehnungswerte der Fasern decken sich mit denen der analytischen Bemessung der Betonbalken. Lediglich an den Lasteinleitungsstellen konnten Oszillationen des Dehnungsverlaufs durch Gefügestörungen festgestellt werden. Forschungsbedarf besteht v.a. hinsichtlich der Validierung weiterer Komponenten (Klebstoff, Coating, Grundierungsmittel) und deren Langzeitstabilität, insbesondere bei chemischen und dynamischen Beanspruchungen. Im Rahmen dieser Arbeit konnte ein Überblick über verschiedene Materialien geschaffen werden, jedoch ist das Repertoire an verfügbaren Komponenten immens, gerade bei den Klebstoffen. Bei der Validierung auf der Betonoberfläche und in der Matrix kam eine Feinkornbetonmischung zum Einsatz. Diesbezüglich sollten in weiteren Forschungen unterschiedliche Matrices und Korngrößen Untersuchungsgegenstand sein. / Distributed fiber optic sensor (DFOS) technology based on Rayleigh scattering is a unique and promising method for strain measurement in concrete structures as well as structural health monitoring (SHM). It can detect the smallest strain changes at any point in the measuring fiber with a high spatial resolution and sensitivity. Currently, there exist no material and handling recommendations for a reliable application, and the literature contains contradictory statements on strain transfer losses between substrate and fiber. The present study deals with the validation of this measuring method for scenarios in concrete structures. Besides applications on steel and concrete surfaces, the integration in a concrete matrix was investigated. The validation yields results for strain transfer losses for different fiber coatings or fiber coating/adhesive combinations. Furthermore, the development of an evaluation method using the computer language Python provides automated data preparation and measurement error substitution of the enormous data volumes. For the validation on steel surfaces, the strain values of different coating-adhesive combinations on precision flat steels were compared in a 4-point bending test with a photogrammetric strain measurement. For the validation on concrete surfaces, concrete pressure cylinders were used to investigate the influence of a primer and different coating-adhesive combinations. Inductive displacement transducers served as a comparative measuring technique during the compression tests. Shrinkage tests allowed the validation of different coating materials in a matrix on concrete prisms. Digital dial gauges were used as a comparative measuring method. For evaluation purposes, the material and handling recommendations derived from the validation were tested on concrete beams. The results of the validation tests indicate good results regarding strain transfer with an Ormocer coating. For application as tested , the use of a cyanoacrylate adhesive is recommended -- especially M-Bond 200 was convincing due to its low strain losses. Concrete surfaces should be sanded and primed with epoxy resin. If integrated into a concrete matrix, the Ormocer fibers also showed minor differences from the comparative measurement. The results of the evaluation tests verify the handling and material recommendations: the strain values of the fibers correspond to the values obtained in concrete-beam analysis. Oscillations of the strain profile due to microstructural disturbances could only be detected at the load application points. Further research regarding the validation of additional components (adhesives, coating, primer) and their long-term stability, especially chemical and dynamic loads, is necessary. This study provides an overview of different coating and adhesives. However, the repertoire of available components is immense - especially for adhesives. During the validation on concrete surfaces and in matrix, a fine-grained concrete mixture was used. In this respect, different matrices and grain sizes should be the subject of further research.

Sverige har som många länder runt om i världen en åldrande infrastruktur och behovet av underhåll stiger. I en artikel i Svenska Dagbladet från 21/9–2018 redovisar analys- och teknikkonsultföretaget WSP en grov uppskattning att 300 miljarder kronor behöver investeras för att rusta upp existerande infrastruktur. Efter upprustningen skulle det krävas ca 25 miljarder kronor årligen för att utföra löpande tillståndsbedömning och underhåll av Sveriges väg- och järnvägsnät. Idag används inspektioner för att bedöma broars tillstånd. Det finns tre olika inspektionstyper; huvudinspektion, allmäninspektion och särskild inspektion. Structural Health Monitoring (SHM) är en teknik som globalt används mer och mer som en metod vid tillståndsbedömning av broar. SHM siktar mot att i realtid utföra automatisk bedömning av hela konstruktionens och de enskilda skadornas tillstånd. SHM använder sig av sensorer placerade på kritiska positioner för att samla in mätdata som jämförs med i förtid definierade gränsvärden. I Sverige används SHM sparsamt idag där kunskapen ligger på akademisk nivå och det råder en osäkerhet om hur SHM ska implementeras i praktiken. Genom att implementera SHM, kan skador upptäckas i ett tidigt skede och minimeras genom att snabbt utföra reparationer på konstruktionen innan skadorna blivit kritiska. Studien syftar till att producera en rapport som kan användas som en guide för hur SHM kan implementeras samt visa på hur SHM-systemen har implementerats på tidigare projekt. Rapporten skall ge läsaren en helhetsbild över hur tillståndsbedömning går till idag, vilka skador som är vanligt förekommande samt hur SHM kan användas som ett verktyg vid tillståndsbedömning. Rapporten syftar också till att ge en övergripande förklaring på svenska av SHM-tekniken och vad som behövs för implementering. Öppna ostrukturerade intervjuer genomfördes med forskare inom SHM och skador på betongkonstruktioner samt sakkunniga inom tillståndsbedömning. Intervjuerna användes som utgångspunkt för vidare studier av vanligt förekommande skador och SHM-tekniker. I litteraturstudien användes olika vetenskapliga databaser såsom Diva och ScienceDirect, samt KTH:s bibliotek för att få fram tidigare material om betongskador på broar, deras skademekanismer och om SHM-tekniken. Vidare hämtades information från ett antal doktorsavhandlingar, artiklar och tidigare examensarbeten. Genom litteraturstudie och intervjuer med sakkunniga kom studien fram till att armeringskorrosion och sprickor i betongen är skador som är vanligt förekommande i betongbroar. Skadornas skademekanismer beskrivs i rapporten. Studien identifierade tre olika system som kan användas för detektering och övervakning av armeringskorrosion och sprickor, de systemen är akustisk emission, SOFO-system (SOFO är en förkortning för Surveillance d'Ouvrage par Fibers Optics) och MuST-system (MuST är ett kommersiellt namn). Rapporten ger exempel på hur systemen kan användas för detektering och övervakning av skadorna genom att presentera fyra fallstudier där systemen har använts. Två av fallstudierna presenterar hur akustisk emission har implementeras och två av fallstudierna presenterar hur SOFO-systemet har implementerats. Studien kunde inte identifiera någon fallstudie för MuST-systemet och hur systemet har implementerats. Slutsatsen av studien är att SHM kan användas som ett komplement vid tillståndsbedömningar men man kan inte utföra automatiserade tillståndsbedömningar idag. / Like many countries around the world, Sweden has an aging infrastructure and the need for maintenance is increasing. In an article in Svenska Dagbladet from 21 / 9–2018, the analysis and engineering consulting company WSP reports a rough estimate that SEK 300 billion needs to be invested to upgrade existing infrastructure. After the upgrade, it would require approximately SEK 25 billion annually to carry out ongoing condition assessment and maintenance of Sweden's road and railway networks. Today, inspections are used to assess the condition of bridges. There are three types of inspection; main inspection, general inspection and special inspection. Structural Health Monitoring (SHM) is a technology that is globally more used as a method for condition assessment of bridges. SHM aims to perform automatic assessment of the state of the entire construction and individual damages in real time. SHM uses sensors placed at critical positions to collect measurement data compared to pre-defined limit values. In Sweden, SHM is used sparingly today, where knowledge is at an academic level and there is uncertainty about how SHM should be implemented in practice. By implementing SHM, damage can be detected at an early stage and minimized by quickly performing repairs on the design before the damage becomes critical. The study aims to produce a report that can be used as a guide on how SHM can be implemented and show how the SHM systems have been implemented on previous projects. The report should give the reader an overall picture of how condition assessment is performed today, which damages are common and how SHM can be used as a tool when assessing the condition. The report also aims to provide an overall explanation in Swedish of the SHM technology and what is needed for implementation. Open unstructured interviews were conducted with researchers within SHM and damages to concrete structures as well as experts in condition assessment. The interviews were used as a starting point for further studies of commonly occurring damages and SHM techniques. In the literature study, various scientific databases were used, such as Diva and ScienceDirect, as well as KTH's library to obtain earlier material on concrete damage to bridges, its damage mechanisms and about SHM technology. Furthermore, information was obtained from a number of doctoral dissertations, articles and previous degree projects. Through literature study and interviews with experts, the study concluded that reinforcement corrosion and cracks in the concrete are damages that are commonly found in concrete bridges. The damage mechanisms are described in the report. The study identified three different systems that can be used for detection and monitoring of reinforcement corrosion and cracks, those systems are acoustic emission, SOFO system (SOFO is an abbreviation for Surveillance d'Ouvrage pair of Fiber's Optics) and MuST system (MuST is a commercial name). The report gives examples of how the systems can be used for the detection and monitoring of the damages by presenting four case studies where the systems have been used. Two of the case studies present how acoustic emission has been implemented and two of the case studies present how the SOFO-system has been implemented. The study could not identify any case study for the MuST-system and how the system was implemented. The conclusion of the study is that SHM can be used as a supplement to condition assessments but cannot for the time being used for performing automated condition assessments today.

Much of North America’s reinforced concrete infrastructure is reaching the end of its service life and careful inspection and assessment is required to ensure the appropriate capacity is maintained in these structures. The research conducted herein seeks to further the development of two new sensor technologies: fibre optic strain sensors and digital image correlation, which have the potential to provide comprehensive performance data for structures to a level of accuracy previously not possible. The research involves determining the accuracy of these sensor systems to monitor both strain and crack widths in reinforced concrete compared to conventional techniques, such as electrical resistance strain gauges. Preliminary work was also undertaken on correcting the sensor results for temperature. It was determined that temperature variations in the range of +21 °C to 20 °C, result in significant strain errors for both sensor systems. Once the results obtained from the sensors systems are corrected for temperature, crack widths are monitored in four small-scale reinforced concrete tension specimens, and strain and crack width behaviour is monitored in four full-scale beams under four point bending. One of the major problems faced when using the digital image correlation technique is out of plane movement which results in significant error. Techniques to lower this error are addressed. In addition, obtaining a more robust understanding of the effects of temperature on crack widths, stiffness, strength and short term creep behaviour of reinforced concrete elements is explored to improve structural monitoring and numerical models used for analysis. Four full-scale beams, two at room temperature and two at 20 °C, were loaded to failure under four point bending. A comparison of the room temperature and low temperature test results show that the cracks tend to close up at lower temperatures in members that are free to expand and contract. This behaviour results in a potential increase in shear capacity for beams at lower temperatures. The low temperature beams also saw a minor increase in strength, but saw no noticeable increase in stiffness. Lastly, short term creep behaviour was reduced in the low temperature beams once the formation of ice occurred. / Thesis (Master, Civil Engineering) -- Queen's University, 2012-10-31 11:08:32.631

The power plant and aerospace industries have been facing a huge loss, due to structural failure. The structural failure occurs due to the presence of the crack in it. Hence, it becomes necessary to monitor the structural health under operating condition. Most of the techniques, for structural health monitoring are used for a specific purpose. Some of these techniques require structure dismantling, which is very much expensive and time consuming. So the vibration based structural health monitoring is advantageous, compared to other techniques. Most of the vibration based Structural Health Monitoring (SHM) approaches, use linear vibration theory. But, these linear vibration based procedures, have inherently low sensitivity to crack. Since crack introduces nonlinearities in the system, their merits in damage detection need to be investigated for SHM. In this thesis, the problem is focused on studying nonlinear dynamics of cracked structures for Structural Health Monitoring. For this, simulations and experiments are performed. The new procedure for the simulation is developed using Matlab-Simulink. It uses the numerical approximation for dynamic compliance operators and a nonlinear model of cracks contact faces interaction to study the dynamic behaviour of the cracked bar. Furthermore, the finite element model of the cracked cantilever bar with crack- tip plasticity is developed and the dynamic behaviour of the elasto-plastic bar is studied. Additionally, numerous experiments are performed to study the dynamics of cantilever bar with the fatigue crack in it. The results from Matlab-Simulink simulation shows the distribution of higher harmonics generated along the bar length, as a function of distance from the crack. In finite element simulation, comparison is made between the resonance frequency of cracked cantilever bar with and without crack-tip plasticity. It is found that, there is decrease in resonance frequency of the cracked bar with cracked tip plasticity, when compared with the resonance frequency of cracked bar without crack-tip plasticity. This reduction in resonance frequency is due to the crack-induced plasticity near the crack tip which affects the overall stiffness of bar. In experiments, the response is measured at four different points on the cracked cantilever bar at a given resonant frequency of excitation at lower and higher vibration amplitude. For lower vibration amplitude, it is found that the response obtained near the vicinity of the crack shows the presence of higher harmonics of resonant frequency, which disappears in the response obtained far away from the crack. For higher vibration amplitude, it is found that the response obtained near the vicinity of the crack shows the presence of higher harmonics along with the low frequency component. This low frequency component causes modulation, which leads to the generation of side band frequencies near the resonant frequency. The occurrence of low frequency component and side band frequencies is due to the vibro-impact behaviour of crack. The amplitude of these side band frequencies and higher harmonics are reduced in the response obtained far away from the crack. This indicates that crack-induced nonlinearity has a localized effect on the dynamics of bar. It is also observed that the magnitude of low frequency component is proportional to the magnitude of resonant frequency of excitation. This indicates that crack behaves like a signal modulator, detector of low frequency component and amplifier as the magnitude of low frequency component is proportional to the magnitude of resonant frequency excitation. From the Matlab-Simulink simulation and experimental results, it is concluded that crackinduced nonlinearity affects the dynamic behaviour of the cracked bar significantly, which will be effective in structural health monitoring. Keywords: vibro-impact, crack, dynamic compliance, harmonics, modulator, detector, amplifier, crack-tip plasticity, resonance frequency, structural health monitoring.