structuren met Optische Vezels (OV) Monitoring van geotechnische technologie 6. Vooruitzichten voor de monitoring van de corrosie

Transcriptie

1 Monitoring van geotechnische structuren met Optische Vezels (OV) technologie Nicolas Denies WTCB Noël Huybrechts WTCB Inhoud 1. Principes van optische vezels (type FBG-DTG) 2. Toepassingsgebied voor monitoring van geotechnische structuren 3. Integratie van de optische vezels in de geotechnische structuren 4. Toepassingsvoorbeelden 5. Conclusies 6. Vooruitzichten voor de monitoring van de corrosie

2 1. Principes van optische vezels (type FBG-DTG) - Optische vezel ( -195 μm) is plaatselijk behandeld (Bragg grating) - Op de Fiber Bragg Grating (FBG) zone is de invallende lichtgolf ( nm) aan een specifieke golflengte weerkaatst - De weerkaatste golflengte hangt af de temperatuur en de vervorming van de FBG-zone (lineair) - De golflengte die op de FBG-zone is weerkaatst kan gedurende het aanmaken van de vezel vastgelegd worden - Typische nauwkeurigheid met de FBG-technologie < 5 μstrain en < 0.5 C - Specifieke Draw Tower Grating (DTG) technologie: vervorming van de vezel tot 6 % ( μstrain) langetermijne dienst ~ 1 % 1. Principes van optische vezels (type FBG-DTG) Voordelen: Hoge nauwkeurigheid Goedkoop meetapparaat (read out device) Multiplexing (tot 20 of meer FBG sensoren op één -195μm vezel (*) langetermijne stabiliteit (maar afhankelijk van de omgeving) (*) geen invloed van de elektromagnetische straling, zwerfstromen (*) geen corrosie, kortsluiting (H 2 0) Kleine afmetingen: voordeel voor te monitoren geotechnische elementen (maar nadeel = breekbaarheid) (*) ook geldig voor aandere types optische vezels (bv. Brillouin scattering ) intensity intensity Reflectiespectrum - nagel 109F - dag 1 incident spectrum transmitted spectrum -30 intensity Bragg grating n 1 reflected spectrum Bragg grating n 2 Bragg grating n 3-50 Intensiteit [db] Golflengte [nm]

3 2. Toepassingsgebied voor monitoring van geotechnische structuren 1. Bepaling van het krachtsverloop in dragende elementen (soilmixelementen, jetgrout-kolommen, stijve insluitsels, palen ) *gebruikt voor statische belastingsproeven (SLT): ontwerp of controle proeven *in-situ permanente monitoring, observational method 2. Monitoring van kerende wanden (soilmix-wanden, diepwanden, damwanden ) bepaling van de buigstijfheid bepaling van de buigmomenten bepaling van het krachtsverloop in de trek-elementen (grondankers, trekpalen of grondnagels) *In-situ monitoring, observational method 3. Grond beweging (zwelling, zetting ) 4. Verstevigde talud - gewapende gronden met geokunststoffen (vervormingen van de longitudinale vezels van de geogrids) 5. Temperatuur metingen (in structuren en funderingselementen, in beton palen, soilmix-element, geothermische funderingselement ) 3. Integratie van de optische vezels in de geotechnische structuren Verloren systemen 1. Instrumentatie (OV) bevestigd op de stalen wapening of op een sister-bar geïntegreerd in het geotechnische element tijdens installatie 2. Instrumentatie (OV) geïntegreerd na installatie van het geotechnische element in een reservatiebuis ( int > 16mm) bevestigd aan het geotechnische element (soilmix-element, paal, jetgrout-kolom ) of aan de stalen wapening Herbruikbare systemen 3. Installatie van een herbruikbaar systeem in een reservatiebuis ( int > 30 mm) bevestigd aan het geotechnische element of aan de stalen wapening (typisch gebruik = belastingsproef)

4 Verloren systemen voorbeeld grondankers 2. Instrumentatie (OV) geïntegreerd na installatie van het geotechnische element in een reservatiebuis ( int > 16mm) bevestigd aan het geotechnische element (soilmix-element, paal, Verloren systemen voorbeeld soilmix-elementen 1. Instrumentatie (OV) bevestigd op de stalen wapening of op een sister-bar geïntegreerd in het geotechnische element tijdens installatie Deformation (μstrain) jetgrout-kolom ) of aan de stalen wapening Optische vezel FGB/DTG: extensometerprincipe & bescherming Vrije lengte 10 Length (m) μm Vaste lengte 20

5 Herbruikbare systemen voorbeeld grondankers 3. Installatie van een herbruikbaar systeem in een reservatiebuis ( int > 30 mm) bevestigd aan het geotechnische element of aan de stalen wapening (typisch gebruik = belastingsproef) Voordeel van een herbruikbaar extensometer system met optische vezels: Beperkt aantal kabels/connectoren 1 lijn = 15 à 20 sensoren 4. Toepassingsvoorbeelden

6 Bypass Mechelen (2015) Geïnstrumenteerde (verticale en horizontale) paalbelastingsproeven op heipalen en schroefpalen Bypass Mechelen (2015) Geïnstrumenteerde (verticale en horizontale) paalbelastingsproeven op heipalen en schroefpalen Krachtsverloop Zetting - kracht

7 Lateraal gedrag Bypass Mechelen (2015) Gent (B), 2007 Ontwerpproeven funderingen Artevelde hogeschool 240 ton SLT op gewapenden soilmix-kolommen m, L = 9.60 m BBRI - R&D Geotechnics 14

8 Limelette (B), 2009 wetenschappelijke proeven 210 ton SLT op gewapende en ongewapende soilmix-kolommen 0.530m/ 0.630m, L=±9m Schatting van de stijfheid en van het draagvermogen BBRI - R&D Geotechnics 15 Monitoring buigmomenten in een soilmix-silo (WTCB onderzoek grondankers) Temperature [ C] /02/2009 5/02/2009 6/02/2009 9/02/ /02/ /03/ /03/2009 1/04/2009 1/04/ /04/ /04/ /04/ ! Langetermijne hydradatie van cement! Effect van de evolutie van de temperatuur op de metingen gelijktijdige metingen van de temperatuur en de vervormingen 16 Depth [m]

9 WTCB soil mix project ( ) Schatting van de buigstijfheid en de buigweerstand van soilmix-wanden op basis van 17 reële schaal buigproeven WTCB soil mix project ( ) Schatting van de buigstijfheid en de buigweerstand van soilmix-wanden op basis van 17 reële schaal buigproeven

10 WTCB soil mix project ( ) WTCB soil mix project ( ) Schatting van de buigstijfheid en de buigweerstand van soilmix-wanden op basis van 17 reële schaal buigproeven

11 WTCB soil mix project ( ) - schatting van de buigstijfheid en de buigweerstand van soilmix-wanden op basis van 17 reële schaal buigproeven Resultaten staalspanningen Moment / Moment stalen profiel op vloeigrens Anderlecht (B), Monitoring buigmomenten in jetgrout-wand en krachtsverloop in grondnagels BBRI - R&D Geotechnics 22

12 By-pass Mechelen THV STAMechelen Monitoring van de vervormingen en optredende krachten in gewapende grondophogingen met behulp van optische vezels 3 te instrumenteren niveaus Smart Geotherm project Test Field Energy piles in Oostende

13 Temperaturen in de grond (6 niveaus) T en vervorming metingen in de paal (10 niveaus) T metingen in warmtewisselaar (5 niveaus in and out) 2 e Deurganckdock lock : Monitoring zwelling van de Boomse klei gerelateerd aan de uitgraving

14 Proefput BAM - Oosterweelverbinding Proefput BAM - Oosterweelverbinding

15 5. Conclusies FBG/DTG OV-systemen geschikt ter integratie in geotechnische structuren/elementen voor de meting van de temperaturen en vervormingen Veel voordelen in vergelijking met andere monitoring systemen (zie slide 4) Maar breekbaar, beïnvloed door temperatuurvariatie, speciale aandacht met alkalische omgeving (cement) Hoge toegevoegde waarde van O.V. systemen voor de monitoring van geotechnische structuren: *beter kennis van het reële schaal gedrag; *optimalisatie van ontwerpmethodes; *overtuigen de opdrachtgevers en studie/controle bureaus een bijzondere technologie voor nieuwe toepassingen toe te passen (bv. soilmix-wanden) *inplementatie van nieuwe en goedkoper ontwerpmethoden (bv. OM) 6. Vooruitzichten 1. Ontwikkeling van nieuwe OV-systemen Bv. versterkte FGB systemen (GFRP) of systemen met een continue meting langsheen de OV in plaats van een extensometersysteem: nauwkeurigheid van ~1μstrain/1mm

16 6. Vooruitzichten 1. Ontwikkeling van nieuwe OV-systemen Bv. versterkte FGB systemen (GFRP) of systemen met een continue meting langsheen de OV in plaats van een extensometersysteem: nauwkeurigheid van ~1μstrain/1mm OF Techn. Strain Temperature [accuracy] [accuracy] FBG Yes Yes [1 μstrain] [0.1 C] Brillouin Yes Yes scattering [10-30 μstrain] [1.0 C] Raman No Yes scattering [0.1 C] Rayleigh Yes Yes scattering [2-5 μstrain] [ C] Type of measurement Readout cost Multi-point Single ended Distributed Double-ended Distributed Both Distributed Single-ended Up 30 sensors on 1 sensor line Low- Lengths up to 1 10 * km * av or Tav for m Length up to * km av or Tav for m Length up to * km av or Tav for 5 mm -10 mm Length up to 80m and recently 1-2 km Sensor cost High Moderate Moderate- Low High Moderate Low High Low 6. Vooruitzichten 1. Ontwikkeling van nieuwe OV-systemen Bv. versterkte FGB systemen (GFRP) of systemen met een continue meting langsheen de OV in plaats van een extensometersysteem: nauwkeurigheid van ~1μstrain/1mm 2. Monitoring van corrosie voor pemanente geotechnische elementen (grondankers, trekpalen, drukpalen, soilmix-elementen ) Bv. voor de langetermijne monitoring van een grondanker: Na stabilisatie van de grondanker in de grond (bending en uitharding van de grout, kruip op de interface grout-grond ) zal een vermindering van de stalen sectie (wegens de corrosie) direct door de optische vezels gemeten worden. Inderdaad een vermindering van de stalen sectie zal in een verhoging van de rek/vervorming in het stalen element resulteren. Werfbezoek en demonstratie te Nevele ( ) Instrumentatie van een grondanker met een OV-systeem

17 6. Vooruitzichten Recente toepassing in Nederland Instrumentatie van een grondanker door middel van een optische vezels 1. Voorbereiding van de instrumentatie in labo

18 1. Voorbereiding van de instrumentatie in 6. Vooruitzichten labo - Recente toepassing in Nederland optische vezel Instrumentatie van een grondanker door middel geïnstalleerd van een optische vezels langsheen een voospanstaal streng 1. Voorbereiding van de instrumentatie in 6. Vooruitzichten labo - Recente toepassing in Nederland optische vezel Instrumentatie van een grondanker door middel geïnstalleerd van een optische vezels langsheen een voospanstaal streng

19 Principe = aantal lokale meetzones met een gemiddelde waarde van de vervormingen op 10cm Lokale Meetzone = 10cm Lokale Meetzone = 10cm Lokale Meetzone = 10cm 2. Uitvoering van de grondanker op de werf - boring

20 3. Installatie van de voorspanstaal streng (+OV) in de voorlopige buis 4. Groutinjectie

21 5. Na installatie voorspanstaal streng (+OV) in de grout en de beschermingsbuis 6. De bescherminsbuis is afgenomen tot het niveau van de berm

22 7. Installatie van de ankerplaat 6. Vooruitzichten Recente toepassing in Nederland Instrumentatie van een grondanker door middel van een optische vezels 8. Aanbrengen van de kracht in de voorspanstaal streng met een vijzel

23 9. Na voorspanning is de streng verkort en beschermd