LES FIBRES OPTIQUES : UN NOUVEL OUTIL POUR LE GENIE CIVIL

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1 LCPC Instrumentation et Mesures sur Chantier CFMSG - 18 Septembre 2002 LES FIBRES OPTIQUES : UN NOUVEL OUTIL POUR LE GENIE CIVIL JM. Caussignac Le Risque et le Génie Civil - F.O.-ENPC 3/02/00 1

2 Sommaire Introduction Rappels sur les fibres optiques Principes de capteurs Mise en œuvre sur structures Exemples d application Conclusion et perspectives 2

3 Spécificités des F.O. Insensibilité électromagnétique Elément sensible et support de transmission de l information confondus Localisation Bande passante élevée et possibilité de multiplexage de capteurs 3

4 Rappels sur les fibres optiques Condition de propagation lumineuse N 1 > N 2 gaine optique N 2 gaine mécanique Grandeurs agissant sur la propagation lumineuse Géométrie du guide Cœur N 1 revêtement primaire Indices de réfraction 4

5 Principes de capteurs Microcourbures Biréfringence Réseaux de Bragg Interférométrie Fabry-Pérot Michelson 5

6 Microcourbures Déformation, Pression Hélice métallique Gaine mécanique 170 µm Gaine optique 140 µm Cœur 100 µm 6

7 Biréfringence Température, Pression Rubans métalliques Pression extérieure Polarisation finale Polarisation initiale Fibre optique monomode 7

8 Température Réseaux de Bragg Déformation Indice de réfraction Pression Spectre incident Intensité X Spectre transmis Intensité λ RdB-1 RdB-2 RdB-3 λ B1 λ B2 λ B3 λ Spectre réfléchi Intensité λ B1 λ B2 λ B3 λ gaine optique x Λ 1 Λ 2 Λ 3 pour chaque réseau : λ B = 2.n.Λ cœur condition de Bragg 8

9 Interférométrie Fabry - Pérot Déformation - Extensométrie trie Principe du capteur Micro-capillaire cavité Fabry-Pérot fibre optique miroirs semiréfléchissants fibre optique Capteurs commercialisés s noyés s ou fixés s en surface d ouvrage en béton câble fibre optique 9

10 Interférométrie Michelson Déformation - Extensométrie trie matériau structure à surveiller miroirs zone de mesure fibre de référence fibre de mesure 10

11 Mise en œuvre des F.O. sur structures Détection et Mesure Conditionnement à apporter à l élément sensible pour l insertion Etalonnage du capteur conditionné Etalonnage du capteur conditionné dans son milieu d emploi Correction des grandeurs d influence parasites (température, ) 11

12 Principe d un Système de Contrôle d Ouvrage État réel Information représentative du phénomène État de référence mémorisé Pilote Modèles d exploitation et d interprétation Actueur Réaction Objet ou phénomène contrôlé 12

13 Schéma d instrumentation 13

14 Détection de fissuration Fonctionnement binaire de de la la fibre optique Fixation d un seuil du du signal lumineux Perte de de transmission lumineuse Mesure Relier la la grandeur lumineuse mesurée sur la la F.O. à la la grandeur recherchée Maîtrise des interfaces Matériau/Capteur Capteur/Elément sensible Correction des effets parasites 14

15 Illustration d une sollicitation thermique T 1 > T 0 Etat initial : T 0 Longueur F.O. : L 0 T 1 T 0 Dilatation libre Etat final (1) : T 1 Longueur F.O. : L 1 matériau conditionnement coeur Etat final (2) : T 1 Longueur F.O. : L 2 Allongement mesuré par la fibre : L 2 - L 1 15

16 Jauges extensométriques Corde vibrante Jauge électrique Fibre optique 16

17 Eprouvette de béton sous sollicitation B B (coupe B-B) (vue de profil) 17

18 Modélisation numérique par CESAR-LCPC éprouvette en béton instrumentée en surface par 2 CFO 18

19 Compression d' une éprouvette en béton instrumentée en surface par : 2 CFO + 2 jauges sur le barreau en Invar + 2 jauges sur l'éprouvette en béton Déformations (µm/m) CFO n 6 (essais) CFO n 10 (essais) Jauge Invar côté CFO n 6 (essais) Jauge Invar côté CFO n 10 (essais) Jauge béton côté CFO n 6 (essais) Jauge béton côté CFO n 10 (essais) CFO (modélisation) Jauge Invar (modélisation) Jauge béton (modélisation) Consigne presse (en kn) 19

20 Installation de fibres optiques in situ 20

21 Nouvelle construction BPR en usine Comportement thermique de la structure Suivi sur près de 2 ans 21

22 500 déformation (µε ) déformation (µε µε) Date EFO 15 Déformation thermique BPR EFO 15 CV Date Suivi du comportement thermique de l ouvrage 22

23 Instrumentation d appareils d appui d Ouvrages d Art appareil d'appui fibres optiques plaque métallique connecteur 23

24 Etalonnage d un A.A. sous cycle de chargement Atténuation (db) F.O. centrale F.O. gauche F.O. droite 1.0 Charge (MPa)

25 Site expérimental (A35) 25

26 Réponse d un A.A. sous charge roulante 26

27 Conclusion et perspectives Capteur base longue - Métrologie répartie Développement du multicapteurs - Localisation Surveillance des structures - capteurs à demeure Matériaux sensibles - introduction d intelligence Progrès à réaliser sur les conditionnements de fibres et sur les méthodes de qualification 27

28 comparaison capteur à fibres optiques - cordes vibrantes capteur condition de déformation évolution du signal corde vibrante seule corde vibrante noyée dans du béton dilatation libre dilatation libre dilatation ou déformation gênée ( effet mécanique ou gradient de température) déformation sous sollicitation à T constant non, car les coefficients de dilatation entre la corde et son conditionnement sont identiques oui légèrement, car les coefficients de dilatation capteur/béton sont très voisins. Le signal traduit la différence des deux comportements oui, car développement de contraintes forcées signal filtré par l interface capteur/béton (facteur d inclusion/rigidités) oui : signal filtré par l interface capteur/béton (facteur d inclusion/rigidités respectives) 28

29 comparaison capteur à fibres optiques - cordes vibrantes capteur condition de déformation évolution du signal Extensomètre à fibre optique microcourbée seul Extensomètre à fibre optique microcourbée noyé dans du béton dilatation libre dilatation libre non, car les microcourbures de la fibre ne sont pas affectées par sa propre dilatation oui, car différence de comportement thermomécanique entre la fibre et son conditionnement et le matériau dilatation ou déformation gênée ( effet mécanique ou gradient de température) oui mais différence de réponse avec le cas précédent car développement de contraintes forcées déformation sous sollicitation à T constant oui : signal filtré par l interface capteur/condit ionnement/béton (facteur d inclusion/rigidités respectives) 29

30 comparaison capteur à fibres optiques - cordes vibrantes Extensomètre à fibre optique à réseau de Bragg seul Extensomètre à fibre optique à réseau de Bragg noyé dans du béton dilatation libre dilatation libre dilatation ou déformation gênée ( effet mécanique ou gradient de température) déformation sous sollicitation à T constant oui en l absence de correction, car mesure l allongement absolu entâché éventuellement d une erreur liée à la variation d indice de réfraction de la fibre sous l action de la température oui car mesure un allongement absolu signal filtré par l interface capteur/conditionnement /béton (facteur d inclusi on/rigidités respectives) nécessité d une correcti on en température du capteur oui mais allongement ab solu mesuré différent du précédent car conjugue les effets du développe ment de contraintes for cées et le comporteme nt des interfaces capteur /matériau oui : signal filtré par l interfacecapteur/condition. béton(facteurd inclusion/rigidit és respectives) 30

31 Conclusion et perspectives Capteur base longue - Métrologie répartie Développement du multicapteurs - Localisation Surveillance des structures - capteurs à demeure Matériaux sensibles - introduction d intelligence Progrès à réaliser sur les conditionnements de fibres 31

32 Détection de la fissuration du béton par F.O Dépend : - du conditionnement de la fibre - de la mise en œuvre sur site - de l étalonnage des fibres optiques in situ - de la référence et du seuil choisis 32