Numerical Simulation of Elastic Wave Propagation in Discontinuous Media: applications in ultrasonic and vibration control

Abstract

The propagation of waves is currently a topic of extreme importance in different areas of engineering, including Civil Engineering. On this subject, there are studies to take advantage of the propagation of ultrasound while investigating how to control and mitigate the unwanted effect of the propagation of other waves. This is the case of vibrations produced by heavy road and rail vehicles (source) That propagate through the soil to sensible buildings (receiver). This thesis presents an advanced strategy using crystalline geometric arrangements of simple individual elements, positioned between the source and the receiver, in order to mitigate the effect of these vibrations. Ultrasonic waves are characterised by frequencies above 20 kHz and are increasingly being used in engineering, to measure distances or to detect failures in products or structures. It is exactly in damage detection in concrete structures that, in this thesis, a new methodology is presented to support non-destructive techniques, based on the propagation time of waves. To support the above methodologies, two numerical simulation tools were developed: the first one, applied to geometrically simple models, using fundamental system solutions, was developed in order to study the vibration mitigation; the other, using finite elements, was applied to more complex geometric models, both in vibration mitigation and in cracked concrete analyses. The strategy used for vibration mitigation allowed to conclude that the phononic crystals have a significant effect on vibration levels reduction. Regarding damage detection, the results are promising and confirm the feasibility of the use of ultrasonic equipment based on primary and secondary waves for in situ applications.

A propagação de ondas é atualmente um tópico de extrema importância em diferentes áreas da engenharia, incluindo Engenharia Civil. Sobre este assunto, existem estudos no sentido de tirar benefício da propagação de ultrassons enquanto se estuda a forma de controlar e mitigar o efeito indesejado da propagação de outras ondas. É o caso de vibrações produzidas por veículos rodoviários pesados e ferroviários (fonte) que se propagam pelo solo até zonas sensíveis (recetor). Nesta tese apresenta-se uma estratégia de vanguarda, com recurso a arranjos geométricos cristalinos de elementos individuais simples, posicionados entre a fonte e o recetor, no sentido de mitigar o efeito dessas vibrações. As ondas ultrassónicas são caracterizadas por frequências superiores a 20 kHz e são cada vez mais utilizadas na engenharia, para medir distâncias, detetar falhas em produtos ou em estruturas. É precisamente na área da deteção de dano em estruturas de betão que, nesta tese, é apresentada uma nova metodologia para apoiar técnicas não destrutivas, baseada no tempo de propagação das ondas. Como suporte às metodologias referidas, foram desenvolvidas duas ferramentas de simulação numérica: a primeira, aplicada a modelos geometricamente simples, recorrendo a soluções fundamentais do sistema, foi desenvolvida no sentido de estudar a mitigação de vibrações; a outra, com recurso a elementos finitos, foi desenvolvida para estudar a propagação de ondas em modelos geométricos mais complexos, tanto no estudo da mitigação de vibrações como no estudo do betão fissurado. A estratégia usada para a mitigação de vibrações permitiu concluir que os cristais fonónicos têm um efeito significante na redução dos níveis de vibração. Relativamente à deteção de dano, os resultados são promissores e confirmam a viabilidade do uso de equipamentos ultrassónicos baseados em ondas primárias e secundárias para aplicação in situ.