Identificación y localización de daños en estructuras activas con la técnica de la impedancia electromecánica (EMI) enfocada al monitoreo de la integridad estructural (SHM)

Abstract

En esta tesis se presenta el uso de la técnica de impedancia electromecánica para la detección y localización de daños en estructuras activas bajo un enfoque de monitoreo estructural mediante pruebas experimentales. Dado que las señales obtenidas de las pruebas experimentales suelen presentar ruidos y grandes dispersiones, estas se homogenizan mediante las funciones de distribución normal, lo que permite estimar diferentes índices escalares para establecer la detección, cuantificación y localización de los daños cuando se comparan las señales capturadas de la estructura sin daño, denominada señal de referencia, con las de la estructura afectada por los daños, denominada señal de monitoreo. Se proponen tres pruebas experimentales en las que se inducen diferentes tipos de daño a las estructuras activas, y se usan transductores piezoeléctricos y un analizador de impedancia para detectar la presencia del daño, cuantificar su severidad y determinar su localización. En la primera prueba, los daños inducidos son marcas y perforaciones practicadas en el material de la estructura, con dimensiones controladas. La segunda prueba se realiza controlando dos tamaños para las perforaciones y cuatro distancias entre estas y el parche piezoeléctrico. Las mediciones de impedancia eléctrica son desacopladas tanto antes como después de inducir los daños en la estructura activa. En la última prueba, el daño estructural se formula como la pérdida de torque de apriete en uniones pernadas. Se encontró que los índices estadísticos usados son criterios adecuados para determinar la presencia del daño en la estructura, así como su severidad y su localización con respecto a la del transductor piezoeléctrico. Esto se concluye al observar las diferencias entre los índices calculados a partir de mediciones de impedancia eléctrica en la estructura intacta con respecto a las mediciones realizadas después de inducir daños en diferentes etapas y ubicaciones.

This thesis presents the use of the electro-mechanical impedance technique for the detection and localization of damage in active structures under a structural monitoring approach by means of experimental tests. Since the signals obtained from experimental tests usually present noises and large dispersions, these are homogenized by means of normal distribution functions, which allows estimating different scalar indices to establish the detection, quantification and localization of damage when comparing the signals captured from the undamaged structure, called reference signal, with those from the structure affected by damage, called monitoring signal. Three experimental tests are proposed in which different types of damage are induced to active structures, and piezoelectric transducers and an impedance analyzer are used to detect the presence of damage, quantify its severity, and determine its location. In the first test, the induced damages are marks and holes drilled in the material of the structure, with controlled dimensions. The second test is performed by controlling two sizes for the perforations and four distances between the perforations and the piezoelectric patch. Electrical impedance measurements are decoupled both before and after inducing damage to the active structure. In the last test, structural damage is formulated as the loss of tightening torque in bolted joints. It was found that the statistical indices used are adequate criteria to determine the presence of damage in the structure, as well as its severity and its location with respect to that of the piezoelectric transducer. This is concluded by observing the differences between the indices calculated from electrical impedance measurements on the undamaged structure with respect to measurements made after inducing damage at different stages and locations.