Performance of distributed optical fiber sensors embedded inside reinforced concrete structural elements.
Authors:   , Bado Mattia Francesco 
Published: July 2023

The employment of a novel cutting edge strain monitoring technique named Distributed Optical Fiber Sensors (DOFS) as Structural Health Monitoring (SHM) tools is becoming increasingly common. Its popularity can be attributed to multiple reasons, the most important of which are the possibility of performing completely spatially distributed monitoring with sampling points at distances smaller than 1 mm, the high degrees of deployment configuration complexity thank to DOFS’ size and minimal stiffness, ease of deployment and resistance to Electro-Magnetic Interference, corrosion and extreme temperatures. Due to the inherent nature of SHM, though, up to now, the most common DOFS applications are the monitoring of already built structures and substantiation of their suitability to continue performing as per design. Consequently, most DOFS deployments see their bonding to the external surfaces of RC structures. A novel way of deploying DOFS that has taken hold in the later years consists in adopting DOFS to monitor the evolution of the strains present on the inside of a Reinforced Concrete (RC) structure i.e., bonding DOFS to the surface of embedded reinforcement bars (rebars) or embedding them directly in the concrete mass. Due to its recency, this application is characterized by an almost untapped potential pool. Indeed, SHM-wise, this continuous and highly sensible embedded monitoring system provides access to the ability of starting to detect deformations and damages as early as their appearance inside the structure (versus having to wait for their appearance on their external surface). This superior deformation and damage detection potential can very well help replacing the current time-based inspection model with one based on a performance or risk-based approach. As a consequence, today’s maintenance paradigm could shift from corrective to preventive, resulting in tremendous savings in infrastructure maintenance and a reduction of its associated social impact.
Yet, when deploying DOFS inside RC structures several phenomena may jeopardize the extractable results. Among these the non-neglectable possibility of fiber alteration/damage during the pouring of concrete and the possibility of erroneous measurements induced by the friction and/or clamping of the DOFS from the part of concrete aggregates. Whilst the deployment of DOFS with several claddings and coatings could compensate for these issues, the presence of a certain lag in the transmission of strains from the monitored surface to the DOFS’s silica core reduces the accuracy of the measurements and corrections are necessary to account for the strain lag between the fiber core and the substrate. For such applications, the preferable DOFS would be a thin, simply cladded, non-coated DOFS. In this case, though, the DOFS protective function against external SRA-inducing phenomena falls entirely on the adhesive layers with which the fibers are bonded.
The present thesis is aimed at improving the viability of coating-less DOFS deployments inside RC structures for Civil and Structural Engineering SHM. This objective is tackled with both a preventive approach and a curing one. The former is achieved by means of experimental investigation aimed at extracting methodologies and techniques that stem factors jeopardizing any DOFS-extracted strain measurement. The latter is achieved creating post-processing algorithms aimed at the cleansing of DOFS-extracted data of any data distortion and anomaly.
Cada vegada és més freqüent l’ús d’una nova tècnica avançada per a la mesura de deformacions anomenada
Sensors de fibra òptica distribuïts (DOFS), com a eina de control de la salut estructural (SHM). Els principals motius
de la seva popularitat és la possibilitat de realitzar monitoritzacions completament distribuïdes espacialment amb
punts de mostreig a distàncies inferiors a 1 mm. Tot i això, a causa de la naturalesa inherent a SHM, fins ara
l’aplicació DOFS més comuna ha estat la monitorització superficial d’estructures ja construïdes per tal de demostrar
la seva idoneïtat per continuar funcionant segons el disseny. En el cas d´estructures de nova construcció, una forma
nova de realitzar els monitoratges DOFS consisteix en estudiar l’evolució de les deformacions presents a l’interior
de les estructures de formigó armat (RC). És a dir, unir DOFS a la superfície de les armadures interiors al formigó
o bé embegudes directament a la massa de formigó. A causa de la seva novetat, aquesta aplicació es caracteritza per
un gran potencial no explorat. En termes de SHM, aquest sistema de monitorització interior al formigó, continu i
altament sensible proporciona la capacitat de detectar deformacions i danys tan aviat com apareixen a l’interior de
l’estructura (en lloc d’haver d’esperar la seva aparició a la superfície externa). Això pot ajudar a canviar el
paradigma de manteniment actual d´estructures de formigó de correctiu a preventiu. Tot i això, quan es desplega
DOFS dins d’estructures RC, la fibra és més propensa a patir alteracions / danys durant l’abocament de formigó i a
produir mesures errònies induïdes per la subjecció i fricció per part dels àrids del formigó. Tot i que l’ús de DOFS
amb diversos revestiments i recobriments exteriors podria compensar aquest problema, la presència dels mateixos
provoca una distorsió en la transmissió de les deformacions des de la superfície monitoritzada al nucli de sílice del
DOFS, reduïnt la precisió de les mesures obtingudes. Per a aquestes aplicacions, el DOFS preferible seria un que
no tingués reocobriment, en contacte directe amb la superfície a monitoritzar. En aquest cas, però, la funció
protectora del DOFS contra fenòmens externs que provoquen anomalies de lectura de deformacions (SRA) recau
totalment sobre les capes adhesives amb les quals s’adhereixen les fibres. La present tesi té com a objectiu millorar
la viabilitat dels desplegaments DOFS sense recobriment dins el formigó per al SHM d’estructures d´enginyeria
civil. Aquest objectiu s´aborda amb un enfocament preventiu i un altre de correctiu. El primer s´aconsegueix
mitjançant una sèrie de campanyes experimentals dirigides a extreure metodologies i tècniques de col.locació de
DOFS que frenin els factors que poden disminuir la precisió de les mesures obtingudes. S´han realitzat proves de
laboratori amb prismes de RC sotmesos tant a compressió (induïts per contracció del formigó) com a tensió i amb
bigues de RC sotmeses a flexió. Dels resultats, es pot concloure que la tècnica de col.locació que millor impedeix
l’aparició de SRA consisteix a situar la fibra dins d’una petita rasa (a la superfície de l´armadura), unir-la amb
adhesiu de cianoacrilat i protegir-la amb una capa addicional de silicona. No obstant això, degut a la poca rigidesa
de la silicona, encara es produeixen petites diferéncies entre la mesura de la fibra i la deformació real a l´element,
però que són menors a les que es tenen amb un un recobriment extern de DOFS. L'enfocament correctiu, en canvi,
es va abordar creant algoritmes de post-processament que netegen les dades extretes de DOFS de qualsevol distorsió
i anomalia i que ofereixen bons resultats, com es demostra en diverses aplicacions pràctiques.