O Monitoramento da Saúde Estrutural (SHM) é uma ciência de engenharia crucial que visa garantir a segurança, durabilidade, operação econômica e desempenho de estruturas, como edifícios, pontes, barragens, etc. O SHM utiliza vários sensores, sistemas de aquisição de dados e tecnologias avançadas para coletar dados em tempo real, como tensão, tensão, vibração, deslocamento, temperatura, etc., para analisar periodicamente o estado de uma estrutura ao longo de seu ciclo de vida1, 2. Ao detectar os sinais de danos, desgaste, degradação ou quaisquer outras anomalias em um estágio inicial, o SHM permite uma manutenção econômica e operação segura da estrutura, prolongando assim sua vida útil.
Os materiais piezoelétricos são uma classe de materiais inteligentes com uma capacidade única de desenvolver potencial elétrico em suas superfícies em resposta a vibrações/tensões mecânicas ou tensões e vice-versa. Os efeitos diretos e inversos da piezoeletricidade são explicados na Figura 1. Devido a essa capacidade única, eles são amplamente utilizados como sensores, atuadores e coletores de energia nos campos de engenharia, medicina e SHM 3,4,5,6,7,8. Os vários tipos de materiais piezoelétricos incluem cristais naturais como quartzo (SiO2), topázio, etc., piezocerâmicas como titanato de zirconato de chumbo (PZT), polímeros piezoelétricos basicamente fluoreto de polivinilideno (PVDF) e muitos mais. Kaur e Bhalla (2015) estabeleceram que o mesmo conjunto de transdutores piezoelétricos (remendos PZT) pode ser utilizado para SHM de estruturas de concreto e para coletar a energia necessária para seu funcionamento como sensores9. Assim, a energia ambiente coletada em tempo real elimina a demanda por inúmeras baterias, pois a energia precisa ser armazenada apenas transitoriamente para o SHM10.
A propriedade dos materiais piezoelétricos como sensor e coletor de energia é baseada no fenômeno do efeito piezoelétrico direto (Figura 1), onde o material piezoelétrico desenvolve potencial elétrico ou tensão (V) nas superfícies opostas quando submetido a tensão mecânica (S1). Isso é representado pela equação:
(1)
Em que d31 é o coeficiente de deformação piezoelétrico, expresso em C/N ou m/V. O subscrito "31" indica que um campo elétrico aplicado na direção 3 induz deformação na direção 1, hp denota a espessura do material piezoelétrico em metros,
representa o módulo de Young dinâmico sob um campo elétrico constante ou nulo, medido em N/m2, e
é a permissividade elétrica dinâmica sob tensão mecânica constante ou nula, medido em F/m 3,11,12.
Os materiais piezoelétricos embutidos no interior ou colados na superfície de uma estrutura podem ser utilizados para monitorar as anomalias na estrutura com base nas medições de deformação e impedância que eles registram. Esses materiais podem fornecer as formas do modo de curvatura diretamente e, portanto, são frequentemente utilizados para técnicas dinâmicas globais13,14. Com o desenvolvimento da técnica de impedância eletromecânica (EMI), esses materiais também comprovaram sua eficácia na detecção de danos localizados15,16. A técnica EMI ganhou grande popularidade no campo do SHM devido à sua natureza não destrutiva, facilidade de implementação e custo-benefício dos transdutores PZT. Nesta técnica, os patches PZT instalados na estrutura do hospedeiro são eletricamente excitados com a aplicação de potencial elétrico harmônico em altas frequências (na faixa de quilohertz [kHz]) no modo de varredura usando um medidor de indutância-capacitância-resistência (LCR) ou analisador de impedância.
Como resultado do efeito piezoelétrico direto, gera vibrações mecânicas na estrutura. E devido ao efeito piezoelétrico inverso, essas vibrações mecânicas influenciam a impedância eletromecânica do transdutor piezoelétrico17,18. Essa assinatura de impedância eletromecânica é gerada na mesma faixa de frequência do sinal de excitação. A equação a seguir representa a admitância
eletromecânica, o inverso da impedância eletromecânica, para um sistema modelo 1-D19
(2)
Onde ω é a frequência angular em rad/s,
, l, w e h são, respectivamente, o meio comprimento, a largura e a espessura do patch PZT. Z e Za representam a impedância mecânica complexa da estrutura e do patch PZT, respectivamente, e κ é o número de onda. Essas assinaturas permanecem estáveis e consistentes enquanto a estrutura estiver intacta. No entanto, na ocorrência de qualquer dano, são observadas mudanças significativas entre a assinatura atual e a basal (a assinatura adquirida durante o estágio saudável da estrutura). Ao analisar a assinatura de impedância, é possível detectar a presença, localização e gravidade dos danos nos estágios iniciais e implementar oportunamente trabalhos de retificação econômicos, melhorando a durabilidade da estrutura 20,21,22.
Nas últimas duas décadas, uma extensa pesquisa foi realizada para examinar o potencial de captação de energia de materiais piezoelétricos. Embora esses materiais estejam disponíveis em várias configurações, como tubos, esferas, discos e assim por diante, a maioria dos estudos é baseada em remendos piezoelétricos retos, tiras, barras, etc.23,24. Portanto, o potencial de várias outras configurações dos transdutores piezoelétricos precisa ser explorado.
Os patches PZT estabeleceram uma presença significativa no campo do SHM nas últimas duas décadas. No entanto, o uso de remendos PZT nus para estruturas de concreto não é recomendado, pois eles podem se deteriorar durante a construção. Portanto, Bhalla e Gupta (2007, 2022) tiveram a ideia de um sensor de vibração de concreto (CVS), que é um sensor pronto para uso principalmente para o SHM de estruturas de concreto25,26, desenvolvido no Laboratório de Estruturas e Dinâmica Inteligentes (SSDL), IIT Delhi. No CVS, o transdutor piezoelétrico (patch PZT) é meticulosamente coberto com uma camada de proteção composta, tornando-o pronto para uso para instalação direta na vida real antes de ser instalado em uma estrutura de concreto. O grau do cilindro de concreto que encapsula o remendo PZT deve ser igual ou superior ao da estrutura de concreto na qual deve ser embutido. O CVS tem uma compatibilidade de deformação muito forte com a estrutura do hospedeiro e pode facilmente adquirir formas de modo de curvatura e frequências ressonantes, e pode suportar condições extremas em comparação com os sensores PZT ligados à superfície. Kaur (2015) estabeleceu experimentalmente o uso de CVS para SHM e como coletor de energia, gerando a energia necessária para o trabalho de SHM durante o tempo ocioso27.
Semelhante ao CVS, o coletor de energia de vibração de concreto (CVEH) é um sensor pronto para uso desenvolvido em SSDL para coleta de energia de estruturas de concreto; no entanto, ao contrário do CVS, o CVEH encapsula um transdutor curvo28. O aumento da tensão de flexão / deformação criada em todo o remendo piezoelétrico como resultado da forma curva aumenta a tensão desenvolvida e, consequentemente, a geração de energia. No entanto, devido à natureza frágil das piezocerâmicas, nem todos os remendos piezoelétricos podem ser usados para fabricar CVEH. O elemento piezoeléctrico utilizado para o fabrico de CVEH deve ser cuidadosamente seleccionado de modo a produzir apenas o efeito d31 . A presença do efeito d33 neutralizará os benefícios do d31 em transdutores piezo curvos, onde a direção do poling varia perpendicularmente ao longo da curvatura, diminuindo a eficiência do transdutor29. Usando um patch composto de macro fibra (MFC) do tipo d31 , uma variante piezo muito flexível e de alto desempenho desenvolvida pela Administração Nacional de Aeronáutica e Espaço (NASA), Singh (2017) fabricou com sucesso um CVEH e confirmou experimentalmente que o CVEH produz quase o dobro da capacidade de geração de tensão de circuito aberto do que o CVS. No entanto, há uma escassez de investigações computacionais e experimentais sistemáticas que cubram a medição de potência em configurações da vida real em comparação com o arranjo reto, apesar das indicações do desempenho superior da configuração curva. Além disso, nenhuma pesquisa foi feita para explorar as possibilidades de um arranjo curvo para SHM.
Espera-se que os materiais de coleta de energia piezoelétrica curva (CVEH) ofereçam várias vantagens sobre os materiais tradicionais de coleta de energia piezoelétrica plana ou planar. Os materiais piezoelétricos curvos exibem melhor distribuição de tensão/deformação na superfície piezoelétrica devido à natureza de sua deformação quando submetidos a forças externas. Como a deformação nesses materiais é distribuída de maneira mais uniforme, melhora a eficiência da conversão de energia e geração de energia e permite o funcionamento em faixas de frequência muito baixas 30,31,32,33. O desempenho dos MFCs (Macro-Fiber Composites) foi demonstrado globalmente em termos de flexibilidade, confiabilidade, durabilidade, tolerância a danos, eficiência aprimorada do atuador e atuação direcional e capacidades de detecção 34,35,36,37. O CVS ou CVEH baseado em MFC é fabricado encapsulando os remendos dentro de cilindros de concreto ou argamassa após a aplicação de um revestimento protetor adequado. Uma vez que esses transdutores são incorporados em uma estrutura durante sua fundição, toda a estrutura, com o CVS/CVEH integrado no interior, funciona como um sistema unificado. Enquanto a estrutura permanecer durável, os CVEHs ou CVS (Sistemas de Monitoramento de Saúde Estrutural) também manterão sua eficácia operacional e longevidade. Portanto, os sistemas CVS e CVEH baseados em MFC oferecem durabilidade superior para monitoramento da integridade estrutural.
O objetivo deste estudo é comparar as configurações curvas e retas de transdutores piezoelétricos (CVEH e CVS, respectivamente) incorporados dentro de estruturas de RC em termos de desempenho para captação de energia e SHM. A tensão de circuito aberto nos transdutores piezoelétricos, o desenvolvimento de energia sob condições de correspondência de impedância e a possibilidade de armazenamento de energia em capacitores para ambas as configurações são investigados na pesquisa. O potencial de detecção de danos até então não descoberto de transdutores piezo curvos usando a técnica EMI também é investigado experimentalmente neste trabalho.