Monitorización de estructuras de hormigón mediante sensores de fibra óptica distribuida
Authors:   , Rodríguez Gutiérrez Gerardo 
Published: July 2023

This doctoral thesis presents the use of an opto-electronic system so-called OBR (Optical Backscattered Reflectometer) as an alternative of measurement in structural health monitoring (SHM) processes in concrete structures, which may present cracks even for service loads.
The main feature of the OBR system is its great sensitivity and high spatial resolution through the use of an optical fiber cable as a sensor, which is called the distributed optical fiber sensor (DOFS). Thanks to that, it becomes possible to obtain strain records where the presence of cracks can be identified and localized. Thus, the experience of an earlier application is first taken up and a method of calculating average crack width in concrete structures subjected to bending is proposed and it is based on information from the strain records obtained with the OBR system.
Afterwards, the OBR system is applied to the study of three partially pre-stressed concrete (PPC) beams of 8 m in length and subjected to shear stress. These beams were instrumented both in conventional form with discrete sensors, and with a DOFS adhered to the surface. Based on the experimental results obtained, the capacity of the OBR system to monitor concrete structures subjected to shear is evaluated, and a method is proposed to detect, locate and subsequently quantify the average shear crack width.
One of the three beams tested to shear and already with the presence of cracks along its entire length, is tested to flexion. In this test it is evaluated the system ability to detect the presence of existing cracks, and the appearance of new cracks. Once the main cracks have been detected and localized, the proposed method of calculating average crack width is again applied and the results checked.
Finally, the application of the OBR system to a real structure is carried out. The above consisted in the monitoring over almost eight months of the process of enlarging a two-span pre-stressed concrete bridge with a total length of 86 m. In this application, the effects of temperature were an important factor and their correction was taken into account for a correct interpretation of the obtained data.

Finally, based on what was observed through the information obtained in each of the previous cases, some conclusions are established regarding the advantages and disadvantages of this type of opto-electronic measurement systems based on the use of DOFS in the SHM of concrete structures. The main conclusion is that the method proposed in this thesis achieves a very satisfactory and promising results regarding the detection, localization and quantification of cracking both in bending and shear in concrete structures in the range of normal service loads.

En esta tesis doctoral se presenta el uso de un reflectómetro óptico de retrodispersión denominado sistema OBR (optical backscattered reflectometer por sus siglas en inglés), como una herramienta de monitorización de la salud estructural (MSE) en estructuras de hormigón, las cuales pueden presentar fisuras incluso en condiciones de servicio. La principal característica del sistema OBR es su gran sensibilidad y alta resolución espacial a través del uso de un cable de fibra óptica como sensor y que se denomina sensor de fibra óptica distribuida (SFOD). Lo anterior, produce registros de deformación en los cuales se puede identificar y localizar la presencia de fisuras. Así, en primer lugar se retoma la experiencia de una aplicación anterior, y se propone un método del cálculo de ancho de fisura promedio en estructuras de hormigón sujetas básicamente a flexión, y que se basa en la información de los registros de deformación que se obtienen con el sistema OBR. A continuación, el sistema OBR se aplica en el estudio de tres vigas de hormigón parcialmente pretensado (HPP) de 8 m de longitud y sujetas a esfuerzo cortante. Estas vigas fueron instrumentadas tanto en forma convencional con sensores discretos, como con un SFOD adherido a la superficie. Con base en los resultados experimentales obtenidos, se evalúa la capacidad del sistema OBR para monitorizar estructuras de hormigón sujetas a cortante, y se propone un método para detectar, localizar y posteriormente cuantificar el ancho de fisura promedio a cortante. Posteriormente, una de las tres vigas ensayadas a cortante y ya con la presencia de fisuras a lo largo de toda su longitud, es ensaya a flexión. En esta viga se evalúa la capacidad del sistema para detectar la presencia de fisuras ya existentes, y la aparición de nuevas fisuras. Una vez detectadas y localizadas las principales fisuras por flexión, se aplica el método del cálculo del ancho de fisura propuesto y se evalúan sus resultados. También se lleva a cabo la aplicación del sistema OBR de una estructura en condiciones reales. Lo anterior consistió en la monitorización a lo largo de casi ocho meses, del proceso ampliación de un puente de hormigón pretensado de aproximadamente 86 m de longitud. En esta aplicación, los efectos de temperatura, fueron un factor muy importante y se tuvo en cuenta su corrección para una interpretación correcta de los datos obtenidos. Por último, con base en lo observado a través de la información obtenida en cada uno de los ensayos experimentales comentados, se establecen las conclusiones en torno a las ventajas e inconvenientes de este tipo de sistemas opto-electrónicos de medición basados en el uso de SFOD, Cabe decir que la metodología propuesta en esta tesis produce unos resultados muy satisfactorios tanto en la detección, localización como cuantificación de la fisuración por flexión y cortante en estructuras de hormigón para niveles de solicitación de servicio.