Development of optical fibre distributed sensing for the structural health monitoring of bridges and large scale structures

Abstract

In this doctoral thesis it is proposed to research and assess the performance of the use of distributed optical fiber sensors (DOFS), more specifically the case of the optical backscattered reflectometry (OBR) based system, to the structural health monitoring (SHM) of bridges and large scale structures. This is a relatively recent technology that has demonstrated great promise for monitoring applications in a wide range of fields but due to its novelty, still presents several uncertainties which prevent its use in a more systematic and efficient way in civil engineering infrastructures. This is even more evident and relevant in the case of the application of this sensing technique to concrete structures. In this way, this thesis pretends to continue and further analyse this topic following the initial applications using the OBR system as a possible alternative/complementary monitoring tool in concrete structures. Therefore, in the present thesis, after an initial and thorough literature review on the use of DOFS in civil engineering applications, a set of experiments and analysis is planned and carried out. Firstly, different laboratory experimental campaigns are devised where multiple aspects of the instrumentation of DOFS technology in civil engineering applications are assessed and scrutinized. Consequently, the study of new implementation methods, comparison and performance analysis of different bonding adhesives and spatial resolution is performed through the conduction of load tests in reinforced concrete beam elements instrumented with OBR DOFS technology. Moreover, the long-term reliability of this sensing typology is also assessed through the conduction of a fatigue load test on two additional reinforced concrete beams. Afterwards, the use of the OBR system technology is assessed for the application in two real world structures in Barcelona, Spain. The first application corresponds to a previous monitoring work conducted in a historical masonry building and UNESCO World Heritage Site, which was subjected to rehabilitation works and where the collected data was analysed and interpreted in this thesis. The second real world structure application is an urban prestressed concrete viaduct that was exposed to major renovation actions, which included the widening of its deck and the introduction of new steel elements on the improved pedestrian sidewalks. This second application was conducted through a relatively extended period of time, which spanned from early summer to deep winter and therefore causing subsequent important thermal variations effects implications on the performance of the instrumented OBR system leading to the necessity of its compensation. Finally, taking into account the previous points, several conclusions are obtained related with the proficiency and limitations on the use of this particular type of optical sensing system in concrete structures. The advantages and disadvantages on the use of different types of bonding adhesives, implementation methodologies and spatial resolutions are described. Additionally, the performance of this technology in real world conditions is studied and characterized.

En aquesta tesi doctoral es proposa investigar i avaluar la possibilitat d´aplicació de sensors de fibra òptica distribuïda (DOFS), més concretament un sistema del tipus OBR (Optical Backscattered Reflectometry), a la monitorització de la salut estructural (SHM) de ponts i estructures de grans dimensions. Es tracta d'una tecnologia relativament recent que ha demostrat una gran versatilitat i validesa en diferents aplicacions en un ampli ventall de camps, però que, a causa de la seva novetat, encara presenta diverses incerteses que impedeixen el seu ús d'una manera més sistemàtica i eficient en el cas de les infraestructures d'enginyeria civil. Sent això especialment cert i rellevant en el cas de l'aplicació d'aquesta tipologia de detecció en estructures de formigó. D'aquesta manera, aquesta tesi pretén continuar i analitzar aquest tema seguint les aplicacions inicials utilitzant el sistema OBR com una possible eina i de control alternatiu o complementari en estructures de formigó. Per tant, en aquesta tesi, després d'una revisió inicial i exhaustiva de la literatura sobre l'ús de DOFS en aplicacions d'enginyeria civil, es planifiquen i executen un conjunt d'assaigs experimentals i el seu posterior anàlisi. En primer lloc, es desenvolupen diferents campanyes experimentals de laboratori on s'avaluen i examinen múltiples aspectes de la tecnologia DOFS en aplicacions d'enginyeria civil. Com a conseqüència, s´estudien nous mètodes d'implementació, de comparació i anàlisi de rendiment de diferents adhesius de connexió i de resolució espaial mitjançant la realització de proves experimentals en elements a flexió a de formigó armat equipats amb tecnologia OBR DOFS. A més, la fiabilitat a llarg termini d'aquesta tipologia de sensors també s'avalua mitjançant la realització d'un assaig de fatiga en dos bigues de formigó armat addicionals. Posteriorment, l'ús de la tecnologia del sistema OBR s'avalua de cara a la seva aplicació en dues estructures reals a Barcelona, Espanya. La primera aplicació correspon a un treball de seguiment previ dut a terme en un edifici històric de maçoneria i que és Patrimoni de la Humanitat de la UNESCO (l´hospital de Sant Pau), que es va sotmetre a obres de rehabilitació i on es van analitzar i interpretar les dades recollides durant l´execució de les obres. La segona aplicació és un pont de formigó pretensat urbà que va estar exposat a una important intervenció de renovació, que va incloure l'ampliació de la coberta i la introducció de nous elements d'acer a les voreres de vianants. Aquesta segona aplicació es va dur a terme a través d'un període de temps relativament estès, que va des del començament de l'estiu fins a ben entrat l'hivern i, per tant, va provocar variacions tèrmiques importants tant als materials com als propis sensors, que van tenir conseqüències sobre el rendiment del sistema OBR instrumentat i que va comportar la necessitat de la seva compensació. Finalment, tenint en compte els punts anteriors, s'obtenen diverses conclusions relacionades amb la competència i les limitacions sobre l'ús d'aquest tipus particular de sistema de detecció òptica en estructures de formigó. Es descriuen els avantatges i desavantatges sobre l'ús de diferents tipus d'adhesius de connexió, metodologies d'implementació i resolucions espaials. Addicionalment, s'estudia i caracteritza l'acompliment d'aquesta tecnologia en condicions reals i no de laboratori.