Capteurs à fibre optique intégrés à des matériaux composites pour le génie civil : essais et simulations sur éprouvettes cruciformes

Abstract

En raison des problèmes de détérioration des infrastructures de génie civil, des besoins se font sentir pour que soient développées des techniques d'évaluation non destructive des structures. Face à cette demande croissante, les capteurs à fibre optique se révèlent une alternative fort prometteuse, en raison de leur faible encombrement, de leur fiabilité et de leur durabilité exceptionnelles, ainsi que de leur capacité de prendre des mesures absolues et de les transmettre sur de longues distances. Parmi les instruments de mesure examinés, les capteurs à réseau de Bragg et les capteurs Fabry-Pérot ont été privilégiés dans cette étude en raison de leurs propriétés inégalées. Dans le cas des structures renforcées avec des matériaux composites, ces outils de détection peuvent même être intégrés aux matériaux de renforcement. Il est cependant admis que les capteurs à fibre optique noyés dans des matériaux composites perturbent l'état de déformation du matériau hôte. De plus, les capteurs à réseau de Bragg sont reconnus pour leur grande sensibilité aux déformations transversales. Il importe donc de bien comprendre ces effets pour que les mesures des capteurs Bragg soient interprétées correctement. L'objectif principal de cette thèse était de développer une technique de mesure des déformations des matériaux composites qui tienne compte de la présence du détecteur. Des capteurs Bragg ont fait l'objet d'une étude exhaustive visant à évaluer leur comportement lorsqu'intégrés à des matériaux composites stratifiés. L'originalité de cette étude tient, d'une part, à la réalisation d'un programme d'essais combinant un concept d'échantillon cruciforme unique à une technique d'instrumentation novatrice; d'autre part, à la programmation ou à l'exécution de deux modèles mathématiques complexes, qui étaient ainsi, pour la première fois, confrontés à des résultats expérimentaux. La dernière partie de la thèse concerne trois projets de réhabilitation d'ouvrages d'art ayant fait l'objet d'un monitorage à l'aide de capteurs à fibre optique. Ces évaluations continues ont témoigné de la fiabilité et de la durabilité des capteurs Fabry-Pérot pour ce genre d'application.

Abstract: Due to the degradation of most civil engineering infrastructures, there is an urgent need for the development of non-destructive evaluation techniques of structures. In view of this increasing demand, fibre optic sensors are one of the most promising alternatives, because they are very small, extremely reliable and durable, and can take absolute measurements and transmit them over long distances. Among the instruments examined, both fibre Bragg grating sensors and Fabry-Pérot sensors were privileged in this study for their unequalled properties. In the case of structures strengthened with composite materials, these detectors can even be integrated to the strengthening material. However, it is recognised that fibre optic sensors embedded in composites disturb the strain state of the host material. In addition, fibre Bragg gratings are well known for their large sensitivity to transverse strains. These effects must be well understood otherwise Bragg sensors measurements could lead to erroneous interpretations. The primary objective of this thesis was to develop a precise measurement method of the strains in composite materials, that would take into account the presence of the detector. Here, Bragg sensors integrated to composite laminates were subjected to an exhaustive series of strain conditions in order to study their behaviour. The originality of this study comes first from the realisation of a testing program combining a unique concept of cruciform specimen to an innovative instrumentation technique; secondly, from the programming or the execution of two complex mathematical models in the aim of confronting them, for the first time, to experimental results. The last part of the thesis reviews three cases of structural rehabilitation which have been monitored with fibre optic sensors. These continuous evaluations confirmed the reliability and the durability of Fabry-Pérot sensors.