STRUCTURAL MONITORING OF HYBRID SPECIMENS AT EARLY AGE USING FIBRE OPTIC SENSORS
Hybrid structures, notably bridges, consisting of steel girders and concrete decks, are designed to explo it in the best way the mechanical properties of both materials. In order to guarantee safe, durable and low-cost service of such structures, a long-term quality and a robust connection between steel and concrete must be guaranteed. Even if experience in construction, maintenance and exploitation of these structures is large, a good and long-lived connection remains a challenging point in their realisation. This is mainly due to the initial incompatibility in the dimensional behaviour of two materials: early and very early age deformations of concrete (thermal expansion and total shrinkage) generate stresses in both materials even before service and imperils their good interaction. With the intention of a better understanding and an accurate numerical modelling of the steelconcrete connection in hybrid structures, measurements are indispensable and, in particular the deformation evolution in both materials during the early and very early age of concrete. In this paper we present examples of this type of measurements, the monitoring of the total dimensional evolution of hybrid elements, the determination of hardening time of concrete and structural monolithisation and, indirectly, the determination of concrete’s Young modulus evolution. An approach to concrete delamination detection is also assessed. All these parameters are evaluated using fibre optic sensors directly embedded in the fresh concrete or attached to steel elements. Their high accuracy, longterm stability and especially their ability to measure early and very early deformation of concrete are essential for monitoring of mentioned parameters.
Evolution du coefficient de dilatation thermique du béton en fonction de sa maturité aux tout premiers âges
RésuméDans les premières heures qui suivent sa fabrication et en l'absence de chargement extérieur, le béton subit des variations de volume dues à la formation des hydrates du ciment (ou retrait endogène), à l'exothermie de cette réaction, et au séchage vers le milieu ambiant. Dans un ouvrage, des fissures gênantes peuvent apparaître si des déformations sont empêchées. La détermination expérimentale des déformations endogènes, en l'absence de séchage vers l'extérieur, nécessite, à tout instant de la prise, la connaissance des déformations d'origine thermiques et donc du coefficient de dilatation thermique. Après un examen des publications traitant ce problème, une méthode de détermination, à tout instant, du coefficient de dilatation thermique au jeune âge est proposée. Cette méthode comporte une partie expérimentale et un traitement des mesures basé sur l'hypothèse d'un découplage des déformations endogènes et thermiques. Le résultat du calcul aboutit à l'expression du coefficient de dilatation thermique en fonction de la maturité du béton. Ceci permet, ensuite, de retrancher les déformations d'origine thermique aux déformations totales mesurées afin d'obtenir l'évolution des déformations endogènes en fonction de la maturité. Une application à un béton classique est présentée.SummaryIn the first hours after its production and without external loading, the concrete suffers volume changes due to (i) the formation of cement hydrates (autogenous shrinkage), (ii) the heat produced by the reaction, and (iii) air drying. Structural detrimental cracks can appear if these deformations are restrained. The experimental determination of the autogenous shrinkage, without external drying, requires, for each step of hydration, knowledge of the thermal strains, i.e., the thermal expansion coefficient. After a review of the relevant literature, a method is proposed for the continuous determination of the thermal expansion coefficient. This method contains an experimental part and a measurement procedure based on the hypothesis that there is no inter-dependence between autogenous shrinkage and thermal strain. After this calclation, an expression is derived for the thermal expansion coefficient as a function of the concrete maturity. This makes it possible to subtract the thermal strains from the total strains measured, in order to obtain the autogenous shrinkage as a function of the maturity. The method is then applied to a normal concrete.
Mesure des déformations du béton au jeune âge
RésuméLes déformations du béton au jeune âge peuvent être à l’origine de désordres importants. Leur modélisation nécessite une expérimentation sur éprouvette liée à certaines difficultés propres aux caractéristiques du béton jeune. Le capteur à inclure dans le béton frais utilisé dans cette étude se trouve dans le commerce. Celui-ci, ainsi que le moule utilisé pour confectionner l’éprouvette, ne doivent pas trop perturber les déformations du béton jeune. Une modélisation par éléments finis de ce système capteur éprouvette est présentée. Celle-ci montre comment est modifié le champ de déformation, ce qui permet certaines corrections des mesures délivrées par ce type de capteur. Deux cas sont considérés: l’étude des déformations, sans charge extérieure, sous l’effet de variations de température (les éprouvettes sont alors confectionnées dans un moule souple en PVC en forme de soufflet) et l’étude des déformations d’un cylindre de béton sous un chargement uniaxial.SummaryStrains in concrete at an early age can cause major damage. Modelling them calls for experiments on specimens, with attendant difficulties specific to the characteristics of young concrete. The sensor embedded in the fresh concrete in this study is commercially available. It and the mould used to make the specimen must not perturb the strains of the young concrete too much.A finite-element model of this sensor-specimen system is presented. It shows how the strain field is modified, making possible some corrections of the measurements delivered by this type of sensor. Two cases are examined: study of the strains, without external loads, resulting from temperature variations (for which the specimens are made in a bellows-shaped flexible PVC mould), and study of the strains of a concrete cylinder under uniaxial loading.