Sensores ópticos para monitorização dinâmica de estruturas

Abstract

O presente trabalho centra-se no desenvolvimento e aplicação de sensores de aceleração ópticos, baseados em redes de Bragg gravadas em fibras ópticas, para monitorização da integridade estrutural de estruturas de engenharia civil. Foram implementados dois acelerómetros uniaxiais e um acelerómetro biaxial. Recorreu-se a uma ferramenta de simulação baseada no método dos elementos finitos que permitiu optimizar, sem custos de produção, as características dos sensores, nomeadamente a sua frequência de ressonância. A caracterização dos sensores foi realizada em ambiente laboratorial e a sua resposta comparada com os resultados de simulação, de modo a validar os modelos numéricos. A aplicabilidade e demonstração de conceito foram realizadas na monitorização de estruturas com testes de campo. Foi monitorizado um teste destrutivo de uma parede de adobe, construída à escala real no Departamento de Engenharia Civil da Universidade de Aveiro, onde foram utilizados sensores estáticos e dinâmicos baseados em redes de Bragg gravadas em fibra óptica. Foram realizadas medidas dinâmicas na ponte pedonal do Campus Universitário da Universidade de Aveiro, onde se compararam os resultados obtidos com os sensores ópticos com resultados de sensores electrónicos comerciais. O acelerómetro biaxial foi testado na monitorização de estruturas esbeltas, nomeadamente na monitorização de duas torres de telecomunicações móveis, onde se demonstrou a possibilidade da utilização de sensores ópticos na caracterização dinâmica deste tipo de estruturas. Outro tipo de estruturas de engenharia civil onde foi demonstrada a aplicabilidade dos sensores ópticos desenvolvidos na monitorização estrutural foram os reservatórios de água elevados. Foi realizada a monitorização dinâmica de um exemplo deste tipo de estruturas, localizado no Campus Universitário da Universidade de Aveiro. A monitorização foi realizada recorrendo ao sensor biaxial desenvolvido e a um sismógrafo, ficando o sensor óptico instalado na estrutura de modo a permitir futuras leituras e assim a monitorização periódica da estrutura. Foi ainda desenvolvido um sensor de humidade relativa do ar, com um material sol-gel, que permitiu registar o nível de humidade relativa no interior de blocos de betão, durante um ano. Este sensor pode ser incluído numa rede de sensores multiplexados, na caracterização e monitorização da integridade estrutural de certas estruturas de engenharia civil.

The present work focuses on the development and application of acceleration optical sensors, based on fiber Bragg gratings written on optical fibers, for structural health monitoring of civil engineering structures. Two uniaxial accelerometers and one biaxial accelerometer have been implemented. A simulation tool based on the finite element method was used, which allows to optimize, without production costs, the characteristics of the sensors, including its natural frequency. The sensors characterization was performed in laboratory environment and their response compared with simulation results, in order to validate the numerical models. The applicability and proof of concept were done in the monitoring of structures with field tests. A destructive test on an adobe wall, held at the Department of Civil Engineering at the University of Aveiro, was monitored using static and dynamic sensors based on fiber Bragg gratings. Dynamic measurements were carried out on a footbridge at the University Campus of the University of Aveiro, where the optical sensors results obtained were compared with the results obtained with a traditional electronic sensors. The biaxial accelerometer was used on the monitoring of high slender structures, namely the monitoring of two mobile telecommunications towers, where the possibility of using optical sensors on the dynamic characterization of such structures was demonstrated. Another type of civil engineering structures where the applicability of optical sensors in structural monitoring was demonstrated were elevated water reservoirs. The dynamic monitoring of an example of such structures, located on the Campus of the University of Aveiro was done. The monitoring was performed using the developed optical biaxial accelerometer and a seismograph, being the optical sensor permanently installed in the structure to allow future and periodic monitoring of the structure. Moreover, a relative humidity sensor was developed, with a sol-gel material, which allows the monitoring of the relative humidity inside concrete blocks over a time period of a year. This sensor can be included in multiplexed networks of sensors, on the characterization and structural health monitoring of certain civil engineering structures.