Durability of optical fiber sensors used for distributed strain measurements in concrete structures
Durabilité des capteurs à fibre optique destinés aux mesures réparties de déformation dans les ouvrages en béton
Résumé
Structural Health Monitoring is a crucial approach in the framework of maintenance and safety management plans of civil structures and still remains an active field of research and development. In particular, cost effectiveness, durability and measurement reliability remain fundamental issues to be considered for any emerging sensing solution. Optical fiber (OF) sensors have gained interest for collecting distributed strain and temperature measurements in reinforced concrete structures, given the benefits they offer in terms of accuracy, measurement range over long distances and low intrusiveness compared to conventional sensors. In these practical applications, OF cables are usually bonded to the concrete surface or embedded within the concrete medium. Depending on the configuration, OF sensors are thus exposed to weather conditions or subjected to the alkaline environment of the cement matrix, and their physical/mechanical properties may change over time. Under such complex environments, knowledge regarding the long-term durability and the reliability of OF sensors remains very limited, and this topic is only little documented by the manufacturers and in the literature. In this context, the present doctoral work aims to address these issues through a comprehensive durability study conducted in the lab, and through a complementary field investigation on massive concrete blocks instrumented with OF sensors. The first part of this work involves an extensive experimental program on concrete specimens instrumented with two selected commercial OF cables, which are exposed to accelerated ageing conditions representative of actual field applications, and to natural outdoor ageing as well. Mechanical, physico-chemical and geometrical characterizations are then carried out on these specimens at different ageing times to assess the durability of the two OF cables for the two possible configurations (embedded/bonded). Changes occurring during ageing in the strain transfer process from the host concrete structure to the OF core, are finally investigated in a numerical approach based on a simple finite element model, where input parameters are identified from experimental data.In parallel with this laboratory study, several massive concrete blocks of the ODOBA project led by IRSN, that will be subjected to accelerated ageing cycles in order to initiate concrete pathologies, were instrumented with embedded and bonded OF cables. This second part of the doctoral work aimed at demonstrating the effectiveness of this sensing technology to detect and monitor concrete pathologies potentially met on nuclear power plant (delayed ettringite formation: DEF, alkali-silica reaction: ASR and DEF/ASR coupling). Findings of this research will contribute to establish robust criteria for selecting monitoring systems suitable in structures of nuclear power-plants, as well as methods for interpreting in the long term strain measurements provided by OF sensors
La surveillance des structures de génie civil constitue un enjeu majeur et fait encore l’objet de nombreuses recherches. En particulier, les problématiques de coût, de durabilité des capteurs et de fiabilité des mesures restent des aspects fondamentaux à prendre en compte pour toute nouvelle solution d’instrumentation. Les capteurs à fibre optique (FO) rencontrent un intérêt croissant pour l’acquisition de mesures réparties de déformation/température dans les ouvrages en béton armé et pour le monitoring de structures en général, en raison des avantages offerts en termes de précision, de déport de la mesure sur de longues distances et d’une faible intrusivité par rapport aux capteurs traditionnels. Dans ces applications, des câbles à FO sont généralement collés en parement ou noyés à l’intérieur de la structure en béton. Selon la configuration, ils sont alors exposés aux conditions climatiques ou soumis à l’environnement alcalin de la matrice cimentaire, et leurs caractéristiques physiques/mécaniques peuvent alors évoluer dans le temps sous l’effet des vieillissements. La durabilité des capteurs et la fiabilité des mesures sur le long terme restent encore mal connues dans ces environnements de service complexes, et sont également peu documentées par les fabricants ou dans la littérature. Le travail mené dans cette thèse vise donc à mieux appréhender ces problématiques à travers une vaste étude expérimentale de durabilité en laboratoire, complétée par une étude de terrain sur des corps d’épreuves massifs instrumentés par capteurs à FO.Le premier volet de la thèse propose un programme expérimental complet portant sur des éprouvettes de béton instrumentées par deux câbles à FO du commerce, qui sont exposées à des vieillissements accélérés représentatifs des applications considérées et à un vieillissement naturel sur site extérieur. Des caractérisations mécaniques, physico-chimiques et géométriques de ces échantillons sont alors réalisées à différentes échéances de temps au cours des vieillissements et permettent d’évaluer la durabilité de ces deux câbles à FO pour les deux configurations d’instrumentation possibles (câbles noyés / collés en parement). L’évolution du transfert d’effort du béton vers le cœur de la FO est ensuite évaluée numériquement en intégrant les résultats expérimentaux dans un modèle aux éléments finis simplifié. En parallèle de cette étude de laboratoire, plusieurs blocs de béton du projet ODOBA de l’IRSN, destinés à subir des cycles de vieillissement accéléré pour déclencher les pathologies de gonflement du béton, ont été instrumentés au moyen de câbles à FO noyés et collés en parement. Ce second volet de la thèse vise à démontrer l’aptitude de cette technologie pour la détection et le suivi à long terme des pathologies de gonflement potentiellement rencontrées sur les enceintes de centrales nucléaires (réaction sulfatique interne : RSI, réaction alcali-granulat : RAG et couplage RAG/RSI). Les résultats obtenus contribueront à établir des critères objectifs permettant de choisir l’instrumentation des structures de centrales nucléaires ainsi que des méthodes facilitant l’interprétation des mesures sur le long terme
Origine : Version validée par le jury (STAR)