Fibre optic system based on FBG sensors for the monitoring of modern structures

• Autorzy: Juraszek Janusz

Identyfikatory

DOI

10.24425/ace.2022.140652

Warianty tytułu

PL

Światłowodowy system FBG do monitoringu nowoczesnych materiałów

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The aim of the research was implementation of fibre Bragg grating sensors and the Aramis system to monitor strain, displacement and stress values in new materials used in the building industry. Selected elements of a residential building made of the Polytech material with a 60% content of the EPS granulate from recycling were tested: a prefabricated wall with a lintel, a reinforced concrete floor slab, a lintel, a reinforced concrete column and a wall. Long-term testing was also carried out taking account of changes in environmental conditions. The methodology of the research was based on the development of purpose-made dedicated FBG strain sensors, laboratory calibration and the embedding of the sensors in the tested element structure. The proposed system of continuous measurements made it possible to determine real strain, displacement and stress values in selected elements of the Polytech structure for a facility founded in a difficult geotechnical terrain (subsoil).

PL

Celem prowadzonych badań była implementacja światłowodowych systemów optycznych oraz systemu Aramis do monitorowania odkształceń przemieszczeń, naprężeń występujących w nowych materiałach stosowanych w budownictwie. Badania prowadzono na wybranych elementach budynku mieszkalnego wykonanego z materiału Polytech składającego się w 60% z granulatu EPS pochodzącego z recyklingu. Wybranymi elementami była prefabrykowana ściana z nadprożem, strop żelbetowy, nadproże w budynku, słup żelbetowy, ściana. Przeprowadzono również badania długookresowe uwzględniające zmiany warunków środowiskowych. Metodyka prowadzonych badań polegała na opracowaniu specjalnie dedykowanych czujników światłowodowych odkształceń z siatkami Bragga FBG, kalibracji w laboratorium, wprowadzeniu czujników do struktury badanego elementu. Istota pomiaru polega na wyznaczeniu zmiany długości fali świetlnej rozproszonej na siatce Bragga która odkształca się dokładnie tak samo jak analizowany element konstrukcji. Wprowadzone w strukturę budynku czujniki światłowodowe spełniają rolę systemu “nerwowego”. Zmiana długości fali jest proporcjonalna do zmiany wartości odkształcenia. Światłowodowy sensor odkształceń w jednej linii pomiarowej może mieć 10 czujników odkształceń przy czym długość fali każdego z czujników musi się różnić o co najmniej 5 nm. Wyniki badań zawierają pomiary odkształcalności wybranych elementów budynku mieszkalnego. Przykładowo dla nadproża proces jego obciążania poszczególnymi elementami konstrukcji budynku powoduje wzrost wartości odkształceń. Do wartości ok. -20 μstrain przebiega on podobnie w dwóch torach pomiarowych. Po przekroczeniu tej wartości i po zamontowaniu konstrukcji drewnianej dachu odkształcenia toru FBGC2 dalej rosną (co do wartości bezwzględnej 100 μstrain) natomiast odkształcenia toru FBGC1 rosną w mniejszym tempie stabilizują się na poziomie -50 μstrain. Oznacza to, że konstrukcja drewniana dachu a następnie położenie dachówki ceramicznej spowodowało nierównomierne odkształcenie belki nadproża. Może to być spowodowane przesunięciem wypadkowej obciążenia do wewnątrz budynku. Nadproże jest w złożonym stanie naprężenia w postaci zginania ze skręcaniem. Po 18 miesiącach eksploatacji odkształcenia nadproża osiągają największe wartości ok. 150 μstrain. W dalszym okresie obserwacji ulegają one nieznacznemu zmniejszeniu. Światłowodowe techniki pomiarowe umożliwiają wykrywanie wszelkich niedokładności montażowych polegających oraz zmianę schematu obciążenia. Jest to zatem nowa cenna metoda diagnostyczna poprawności wykonania obiektu budowlanego. Zaproponowany system ciągłych pomiarów umożliwił wyznaczenie rzeczywistych wartości odkształceń, w wybranych elementach struktury budynku Polytech dla obiektu posadowionego w trudnym geotechnicznie terenie.

Słowa kluczowe

EN

fibre optic; FBG sensor; monitoring; modern material; building structure

PL

czujnik światłowodowy; czujnik FBG; monitorowanie; materiał nowoczesny; konstrukcja budowlana

• Wydawca: Komitet Inżynierii Lądowej i Wodnej PAN ; Politechnika Warszawska, Wydział Inżynierii Lądowej
• Czasopismo: Archives of Civil Engineering
• Rocznik: 2022
• Tom: Vol. 68, nr 2
• Strony: 445--460
• Opis fizyczny: Bibliogr. 16 poz., il.

Twórcy

autor

Juraszek Janusz

• University of Bielsko-Biała, Departament of Civil Engineering, Bielsko-Biała, Poland

• https://orcid.org/0000-0003-3771-2776

Bibliografia

• [1] B. Choi, S. Yoo, S. Park, “Carbon footprint of packaging films made from LDPE, PLA, and PLA/PBAT blends in South Korea”, Sustainability, 2018, vol. 10, no. 7, pp. 1-13, DOI: 10.3390/su10072369.
• [2] T. Cardinale, G. Arleo, F. Bernardo, A. Feo, P. De Fazio, “Thermal and mechanical characterization of panels made by cement mortar and sheep’s wool fibres”, Energy Procedia, 2017, vol. 140, pp. 159-169, DOI: 10.1016/j.egypro.2017.11.132.
• [3] T. Cardinale, C. Sposato, M.B. Alba, A. Feo, F. Grandizio, G.F. Lista, G. Montesano, P. De Fazio, “Energy and mechanical characterization of composite materials for building with recycled PVC”, TECNICA ITALIANA-Italian Journal of Engineering Science, 2019, vol. 63, no. 2-4, pp. 129-135.
• [4] T. Bouagga, T. Harizi, F. Sakli, M. Zoccola, “Correlation between the mechanical behavior and chemical, physical and thermal characteristics of wool: a study on Tunisian wool”, Journal of Natural Fibers, 2020, vol. 17, no. 1, pp. 28-40, DOI: 10.1080/15440478.2018.1461727.
• [5] C. Piña Ramírez, A. Vidales Barriguete, R. Serrano Somolinos, M. del Río Merino, E. Atanes Sánchez, “Analysis of fire resistance of cement mortars with mineral wool from recycling”, Construction and Building Materials, 2020, vol. 265, art. ID 120349, DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2020.120349.
• [6] J. Juraszek, “Fiber Bragg sensors on strain analysis of power transmission lines”, Materials, 2020, vol. 13, no. 7, DOI: 10.3390/ma13071559.
• [7] J. Juraszek, M. Gwóźdź-Lasoń, D. Logoń, “FBG strain monitoring of a road structure reinforced with a geosynthetic mattress in cases of subsoil deformation in mining activity area”, Materials, 2021, vol. 14, no. 7, DOI: 10.3390/ma14071709.
• [8] J. Juraszek, P. Antonik-Popiołek, “Fibre optic FBG sensors for monitoring of the temperature of the building envelope”, Materials, 2021, vol. 14, no. 5, DOI: 10.3390/ma14051207.
• [9] J. Juraszek, “Application of fiber optic FBG techniques in analysis of strain in engineering machines”, New Trends in Production Engineering, 2019, vol. 2, no. 1, pp. 480-485, DOI: 10.2478/ntpe-2019-0051.
• [10] W. Liao, Y. Zhuang, C. Zeng, W. Deng, J. Huang, H. Ma, “Fiber Optic Sensors Enabled Monitoring of Thermal Curling of Concrete Pavement Slab: Temperature, Strain and Inclination”, Measurement, 2020, vol. 165, DOI: 10.1016/j.measurement.2020.108203.
• [11] H. Weng, H. Zhu, J. Chen, D. Liang, B. Shi, C. Zhang, “Experimental investigation of pavement behavior after embankment widening using a fiber optic sensor network”, Structural Health Monitoring, 2014, vol. 15, pp. 46-56, DOI: 10.1177/1475921714548935.
• [12] A. Loizos, C. Plati, V. Papavasiliou, “Fiber optic sensors for assessing strains in cold in-place recycled pavements”, International Journal of Pavement Engineering, 2013, vol. 14, no. 2, pp. 125-133, DOI: 10.1080/10298436.2011.614691.
• [13] J. Wang, J. Tang, H. Chang, “Fiber Bragg grating sensors for use in pavement structural strain-temperature monitoring”, presented at Proceedings of the SPIE 6174, Smart Structures and Materials 2006: Sensors and Smart Structures Technologies for Civil, Mechanical, and Aerospace Systems, San Diego, CA, USA, 27-28 February 2006.
• [14] N. Hirayama, Y. Sano, “Fiber Bragg grating temperature sensor for practical use”, ISA Transactions, 2000, vol. 39, no. 2, pp. 169-173, DOI: 10.1016/S0019-0578(00)00012-4.
• [15] G. Ma, “A passive optical fibre anemometr for wind Speed measurement on high-voltage overhead transmissionlines”, IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2012, vol. 61, no. 2, pp. 539-544, DOI: 10.1109/TIM.2011.2164837.
• [16] G. Golewski, “Zastosowanie systemu Aramis do analizy propagacji rys pierwotnych w betonach z dodatkiem popiołów lotnych”, Przegląd Budowlany, 2011, no. 11, pp. 30-35.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MEiN, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2022-2023).