Aplicación de sensores de fibra óptica a la medición de esfuerzos y deformaciones en capas de suelos

Abstract

Los materiales que constituyen las vías de carreteras, las terracerías, el terreno de cimentación, bien como elementos estructurales, como materiales aprovechables para terraplenes, rellenos, incluso como materiales de construcción en diques, presas u otras obras de tierras comunes, se ven sometidos a cargas estáticas o dinámicas de diversas magnitudes que le son transmitidas al subsuelo. Por ello, es necesario realizar una evaluación y seguimiento de los parámetros conformantes de la masa de suelo. Actualmente, existe una necesidad por mejorar las técnicas evaluadoras de las mismas. Al respecto, Inaudi (1997) menciona que, ante la inexistencia de un sistema de instrumentación eficaz, un gran número de estructuras no están debidamente sensadas; preocupante observación, si se considera que muchas de ellas son evaluadas a partir de sistemas de monitorización que no responden a los requerimientos necesarios y proporcionan datos inexactos. Así pues, la superación de esta carencia está relacionada con la optimización de las técnicas de monitorización de estructuras (structural health monitoring) -siglas SHM. Por lo que es necesario desarrollar sistemas y sensores que empleen una instrumentación de fácil acceso, económica y segura, con los cuales se puedan obtener datos fiables y precisos. Por ello y teniendo en cuenta la relevancia que ha adquirido en la última década el uso de sensores de fibra óptica en diversos campos de la ciencia e ingeniería, en esta tesis proponemos y mostramos el uso de sensores de fibra óptica basados en redes de período largo (LPGs), como un medio alternativo para medir de manera segura y fiable la deformación y trasmisión de esfuerzos en capas de suelos. La tesis muestra el diseño, fabricación y aplicación de los sensores LPGs a mediciones de trasmisión de esfuerzos y deformaciones en una estructura formada por capas de suelo compactado y confinado. Para validar los valores obtenidos, se determina las constantes de elasticidad del suelo por ajuste del modelo matemático de Boussinesq con nuestros datos experimentales. Estos valores fueron comparados con los obtenidos con otras técnicas mostrando buen acuerdo con los reportados por las técnicas alternativas. En la actualidad, existen diversas investigaciones que avalan la aplicación de los sensores de fibra óptica en el monitoreo estructural. Por ello, la contribución de esta tesis radica no solo en reafirmar el empleo de tales sensores para optimizar la medición de parámetros físicos del suelo, sino que también, muestra (por primera vez) la aplicación de sensores LPGs a la medición de transmisión de esfuerzos y deformaciones en capas de tierra.

The materials constituting the tracks of roads, dirt roads, the foundation soil, as well as structural elements, as usable materials for embankments, landfills, even as building materials in levees, dams or other works of public lands, are subject to static or dynamic loads of various magnitudes that are transmitted to the subfloor. It is therefore necessary to assess and monitor the parameters conforming soil mass. Currently, there is a need to improve evaluative techniques thereof. In this regard, Inaudi (1997) mentioned that, in the absence of an effective implementation, a large number of structures are not properly sensed; worrying observation, when you consider that many of them are evaluated from monitoring systems that do not meet the necessary requirements and provide inaccurate data. So, to overcome this deficiency is linked to the optimization of monitoring techniques structures (structural health monitoring) - siglas SHM. So, it is necessary to develop systems that use sensors and instrumentation easily accessible, economical and secure, with which we can obtain reliable and accurate data. Therefore, taking into account the relevance it has acquired in the last decade the use of fiber optic sensors in various fields of science and engineering, in this thesis we propose and show the use of fiber optic sensors based on long period (LPGs) grating as an alternative means for securely and reliably measure the deformation and stresses that are transmitted in soil layers. The thesis shows the design, manufacture and application of LPGs sensors. Manufactured sensors were applied to measurements of transmission of stresses and strains of a soil type. To validate the values obtained, we obtained the elastic constants of the ground, by fitting of Bousinesq model with our experimental data. These values were compared with those obtained with other techniques showing good agreement with those reported by the alternative techniques. Currently, there are several investigations that support the application of fiber optic sensors in structural monitoring. Therefore, the contribution of this thesis lies not only to reaffirm the use of such sensors to optimize the measurement of physical parameters of the soil, but also showing (for first) application of LPGs sensors for measuring force transmission and strains in soil layers.