An optical fiber sensor for the detection and monitoring of cracks in reinforced concrete structures

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Main Author: Benard, Abraham Diaz de León
Publication Date: 2007
Language: eng
Source: Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
Download full: http://hdl.handle.net/1822/8408
Summary: Tese de Doutoramento em Engenharia Civil - Área de Conhecimento de Estruturas
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spelling An optical fiber sensor for the detection and monitoring of cracks in reinforced concrete structures624.012.4681.586Tese de Doutoramento em Engenharia Civil - Área de Conhecimento de EstruturasAdvances in the emerging fiber optic sensing technology have contributed to the recent development of innovative systems for health monitoring of civil engineering structures. The main reasons for this development are the reduced weight and dimensions of fiber optic sensors, the strong immunity to electromagnetic interference, the improved environmental resistance and the scale flexibility for small-gage and long-gage measurements. Researchers at the Massachusetts Institute of Technology and Brown University have proposed a method for the detection and monitoring of cracks in concrete structures. The method is based on a distributed optical fiber microbending sensor called the sensor plate. The proposed sensor does not require prior knowledge of the crack locations, which is a significant advancement over existing crack monitoring techniques. Moreover, several cracks can be detected, located and monitored with a single fiber. The basic design of the sensor is a polymer sheet containing an embedded inclined fiber that is coupled to a structure. The sensor principle is that cracking in a structural member leads to cracking in the polymer sheet which induces fiber bending leading to optical power loss. Monitoring the backscattered signal within the fiber provides crack location and opening size. This thesis provides an overview of the challenges in the development and improvement of the sensor plate, to propose a new alternative of fiber optic sensor that can be employed to monitor flexural and tensile cracks on reinforced concrete structures and pavements. The proposal and studies about new alternatives concerning the material to make the sensor plate, the fabrication process and the bonding procedures to attach the sensor to the concrete are presented. A Probabilistic Model for Calibration Curve (PMCC) is developed for prediction of the relationship between the optical power loss and crack opening based in the statistical analysis of experimental calibration curve. To make viable the implementation of the sensor plate based only in the information about the inclination angle of the fiber in the sensor, the adoption of a Mean Theoretical Calibration Model (MTCM) is proposed. For the first time, the performance characteristics such as resolution, input and output range, sensitivity, independent linearity, end-point linearity and input full scale value range are evaluated and estimated based on the MTCM. Through several tests the acquisition problems and wiring configuration are resolved by monitoring a single crack with a conventional OTDR (Optical Time-Domain Reflectometer). The results show that in order to achieve spatial resolutions of approximately a fraction of a meter with the sensor plate high-performance systems with optical pulse widths of approximately 100 picoseconds are required. To study the real performance of the sensor plate, the implementation of two versions of sensors are examined to detect and to measure internal and external flexural crack opening on reinforced concrete beams, masonry slabs and pavement layers. The first version of the sensor is the externally attached to RC beams and masonry slabs; the second version is the embedded into RC beams and pavement layers. The methodology for detecting and locating the formation of flexural cracks in various locations and the sensor’s capability for measuring a range of crack openings is demonstrated through testing of instrumented RC beams subjected to sustained and repeated loading. For first time, the implementation in the field of the sensor plate is demonstrated. According to the purpose of Sustainable Bridges project, the main goal of this implementation is to show the capability of the sensor plate to detect and measure the crack opening at the center span of slabs and beams of railway concrete bridges.Os avanços na emergente tecnologia de fibra óptica tornaram possível o desenvolvimento recente de sistemas inovadores para a monitorização da vida útil de estruturas. As principais razões para este desenvolvimento estão relacionadas com o reduzido peso e com as dimensões dos sensores de fibra óptica, com a forte imunidade à interferência electromagnética e com a durabilidade e a flexibilidade de escalas de medida. Recentemente investigadores do Instituto de Tecnologia de Massachusetts (MIT) e da Universidade de Brown propuseram um método para a detecção e a monitorização de fendas em estruturas de betão utilizando fibra óptica. O método é baseado em um sensor distribuído de micro-flexão, conhecido por “sensor plate”. O sensor proposto não requer o conhecimento prévio da posição da fenda, o que é um avanço significativo em relação as técnicas de monitorização de fendas já existentes. A esta vantagem acresce, ainda, que várias fendas podem ser detectadas, localizadas e monitorizadas em simultâneo com o uso de uma única fibra óptica. O sensor consiste, basicamente, numa placa de polímero, que contém uma fibra embebida e inclinada, que é instalada externamente à estrutura a ser monitorizada. O princípio de funcionamento traduz-se no facto do elemento estrutural ao fendilhar provocar a fissuração da placa polimérica, o que origina uma perda do sinal óptico. A monitorização do sinal óptico dentro da fibra óptica torna possível que seja definida a posição e a abertura da fenda. Esta tese fornece uma visão geral dos desafios no desenvolvimento e na melhoria do sensor de placa, propõe uma alternativa inteiramente nova de sensor óptico, que possa ser utilizado para monitorizar fendas de flexão e de tracção em estruturas de betão armado e em pavimentos. Neste documento apresenta-se a proposta do novo tipo sensor óptico, os estudos sobre alternativas inovadoras de materiais para fabrico da placa, o processo de fabrico e os procedimentos de colagem para aplicação do sensor de fibra óptica à superfície de betão. É desenvolvido um modelo probabilístico (PMCC), baseado no tratamento estatístico das curvas de calibração, para a previsão da relação entre a perda de intensidade de sinal óptico e a abertura da fenda. De modo a tornar viável a implementação do sensor baseado exclusivamente na informação sobre o ângulo de inclinação da fibra óptica na placa, é proposto um modelo teórico médio de calibração (MTCM). Desta forma são avaliadas e estimadas, com base no MTCM, as características estáticas de desempenho (definição, campo de entrada e de saída, sensibilidade, linearidades independentes, linearidades do ponto final e valor de campo de entrada). Através de diversos ensaios experimentais os problemas de aquisição e de configuração são resolvidos para monitorizar uma única fenda com um OTDR (Optical Time-Domain Reflectometer) convencional. Os resultados demonstram que para se conseguir resoluções espaciais de alguns centímetros são necessários, sistemas de elevado desempenho com larguras de impulso óptico de aproximadamente 100 picosegundos. Para estudar o desempenho real do sensor na detecção e medição da abertura interna e externa de fendas de flexão, em vigas de betão armado, em painéis de alvenaria e em pavimentos, foram testadas duas versões alternativas. A primeira versão do sensor foi instalada externamente em vigas de betão armado, e em painéis de alvenaria; a segunda versão foi embebida em vigas de betão armado e em camadas de pavimentos. A eficácia da metodologia seguida para a detecção e localização da abertura de fissuras, bem como as potencialidades do sensor na medição de diversos campos de abertura de fendas, foram amplamente demonstradas nesta tese, através de ensaios experimentais em vigas de betão armado.Fundação para a Ciência e a Tecnologia (FCT), Fundo Social Europeu (FSE) - SFRH/BD/11298/2002.Cruz, Paulo J. S.Leung, Christopher K. Y.Milián, A. Gustavo AyalaUniversidade do MinhoBenard, Abraham Diaz de León2007-09-102007-09-10T00:00:00Zdoctoral thesisinfo:eu-repo/semantics/publishedVersionapplication/pdfapplication/pdfhttp://hdl.handle.net/1822/8408enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)instname:FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiainstacron:RCAAP2024-05-11T06:33:41Zoai:repositorium.sdum.uminho.pt:1822/8408Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireinfo@rcaap.ptopendoar:https://opendoar.ac.uk/repository/71602025-05-28T15:57:01.878894Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) - FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiafalse
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