Development of High-accuracy Strain Sensors using Topology Optimization

Tom Jonckers
Ontwikkeling van nieuwe hoogperformante reksensoren op basis van enkele wetenschappelijke principes. Deze reksensoren moeten het mogelijk maken om de structurele gezondheid van bestaande bouwwerken in te schatten. Op die manier kan schade gedetecteerd worden en op een efficiënte manier geïnvesteerd worden in de weginfrastructuur.

Bouwwerken geven geheimen prijs

“Door Brusselse tunnels rijden, is je leven riskeren”, kopt De Standaard op 5 november 2015. Er kwam een stuk los van het plafond van de Rogiertunnel te Brussel. Het betonblok van één op twee meter belandde bovenop een auto. Hoewel er bij dit incident gelukkig geen gewonden vielen, toont het voorval wel aan dat het erg gesteld is met de kwaliteit van de Belgische wegen. De Belgische infrastructuur is dringend toe aan een grondige opknapbeurt. Deze thesis ontwikkelde een nieuwe sensor die het mogelijk maakt in te schatten waar exact herstellingen nodig zijn.

Trillingstesten

Ieder jaar worden heel wat bruggen en tunnels in België geïnspecteerd om in te schatten hoe gezond ze nog zijn. De exacte locatie van schade in een structuur is echter moeilijk te bepalen. Trillingstesten zijn hiervoor uiterst geschikt. Iedere structuur trilt wanneer ze belast wordt, zij het door een auto, een voetganger of zelfs door de wind. Ook grote betonnen of stalen bruggen en tunnels zijn gevoelig hieraan. Hét schoolvoorbeeld van een constructie die hevig aan het trillen gaat, is de Tacoma Narrows Bridge in de Verenigde Staten. Zulke extreme voorvallen zijn gelukkig zeldzaam. Meestal blijven de trillingen van bouwconstructies zo klein dat ze niet merkbaar zijn voor de gebruikers. Toch omvat het trillingsgedrag van een constructie een schat aan informatie over haar structurele gezondheid. Theoretisch kan men voorspellen tegen welke frequentie een bouwwerk gaat trillen. Deze frequentie heet de eigenfrequentie. Ook is het mogelijk te voorspellen welke vorm het bouwwerk juist zal aannemen bij die eigenfrequentie. Dit wordt de eigenmode genoemd. Wanneer het bouwwerk beschadigd is, zullen de eigenfrequentie en eigenmode veranderen. Door die twee eigenschappen op te meten en te vergelijken met de theoretische waarden, kan men de locatie en ernst van een eventuele beschadiging inschatten.

Tacoma Narrows Bridge, bijgenaamd Galloping Gertie, trilt hevig ten gevolge van de wind. (Bron: New Scientist)

Figuur: Tacoma Narrows Bridge, bijgenaamd Galloping Gertie, trilt hevig ten gevolge van de wind. (Bron: New Scientist)

Praktische uitdagingen

Trillingstesten lijken een krachtig instrument te zijn. In de praktijk, echter, kampt deze methode nog met enkele moeilijkheden. Hoewel ze in wetenschappelijk onderzoek al regelmatig toegepast worden, zijn trillingstesten nog niet doorgebroken op grote schaal. Ze vragen immers veel voorbereiding: de constructie moet afgesloten worden voor het verkeer en worden uitgerust met heel wat sensoren die in staat zijn vervormingen en rekken te meten. Vervolgens wordt de constructie belast. Deze belasting moet voldoende groot zijn om toe te laten de vervormingen of trillingen voldoende nauwkeurig te meten.

Is het niet praktischer om een permanent meetsysteem aan constructies te bevestigen? Dit zou het opvolgen van de structurele gezondheid van een bouwwerk op lange termijn mogelijk maken. Om dit doel te bereiken, moet de nauwkeurigheid van de sensoren verbeterd worden. Met een verhoogde precisie kunnen de vervormingen en trillingen ten gevolgen van dagdagelijkse belastingen zoals bijvoorbeeld auto’s en zelfs fietsers of voetgangers ook opgemeten worden. Aan de hand van deze vervormingen kan eventuele schade aan de constructie tijdig worden vastgesteld.

Hoogperformante reksensoren

Doorheen dit thesisonderzoek werden twee verschillende hoogperformante reksensoren ontwikkeld. Deze mechanische apparaten zorgen ervoor dat de trillingen van het bouwwerk geconcentreerd en uitvergroot worden op een kleine meetsectie. Het voordeel hiervan is dat ook veel kleinere trillingen accuraat opgemeten kunnen worden. Bijgevolg kan de structurele gezondheid van het bouwwerk ook beter ingeschat worden. Met de reksensoren ontwikkeld tijdens deze thesis, wordt een uitvergroting van de trillingen van 73, respectievelijk 65 bereikt. Dit maakt het mogelijk om rekken tot wel 73 keer kleiner dan voorheen op te meten.

Schematische voorstelling van de twee ontwikkelde reksensoren. De kleurencodering geeft de vervorming van de sensor weer. Een rode kleur wijst op grote vervormingen. Het is duidelijk dat de vervormingen op de meetsectie geconcentreerd en uitvergroot worden.

Figuur: Schematische voorstelling van de twee ontwikkelde reksensoren. De kleurencodering geeft de vervorming van de sensor weer. Een rode kleur wijst op grote vervormingen. Het is duidelijk dat de vervormingen op de meetsectie geconcentreerd en uitvergroot worden.

Veiligere toekomst

Door gebruik te maken van de nieuwe hoogperformante reksensoren is het mogelijk precieze trillingsanalyses toe te passen op grote schaal. Op deze manier kan noodlijdende infrastructuur geïdentificeerd worden. Bijgevolg kan ons wegennet op een efficiënte manier gerepareerd en gerenoveerd worden. Zo zullen onveilige tunnels en vallende brokstukken tot het verleden behoren.

Bibliografie

[1] M. M. Abdel Wahab and G. De Roeck. Damage Detection in Bridges Using Modal Curvatures: Application To a Real Damage Scenario. Journal of Sound and Vibration, 226(2):217–235, 1999.

[2] E. Andreassen, A. Clausen, M. Schevenels, B. S. Lazarov, and O. Sigmund. Efficient topology optimization in MATLAB using 88 lines of code. Structural and Multidisciplinary Optimization, 43:1–16, 2011.

[3] M. P. Bendsøe and O. Sigmund. Topology optimization: theory, methods, and applications. Number 724. Springer, 2 edition, 2003.

[4] J. R. Casas and P. J. S. Cruz. Fiber Optic Sensors for Bridge Monitoring. Journal of Bridge Engineering, 8(6):362–373, 2003.

[5] F. Casciati, M. Domaneschi, D. Inaudi, A. Figini, B. Glišic, and A. Gupta. Long-Gauge Fiber-Optic Sensors: A New Approach to Dynamic System Identification. In Proceedings of the Third European Conference on Structural Control, 3ECSC, page 4, 2004.

[6] T. H. T. Chan, L. Yu, H. Y. Tam, Y. Q. Ni, S. Y. Liu, W. H. Chung, and L. K. Cheng. Fiber Bragg grating sensors for structural health monitoring of Tsing Ma bridge: Background and experimental observation. Engineering Structures,28(5):648–659, 2006.

[7] B. J. A. Costa and J. A. Figueiras. Evaluation of a strain monitoring system for existing steel railway bridges. Journal of Constructional Steel Research, 72:179–191, 2012.

[8] Engineering Toolbox. Modulus of Elasticity or Young’s Modulus - and Tensile Modulus for common Materials, 2015.

[9] S.-E. Fang, R. Perera, and G. De Roeck. Damage identification of a reinforced concrete frame by finite element model updating using damage parameterization. Journal of Sound and Vibration, 313:544–559, 2008.

[10] FAZtechnology. FAZT I4 Interrogator, 2016.

[11] FBGS. How is the DTG wavelength changing with temperature and strain?, 2016.

[12] Y. M. Gebremichael, W. Li, B. T. Meggitt, W. J. O. Boyle, K. T. V. Grattan, B. McKinley, L. F. Boswell, K. A. Aarnes, S. E. Aasen, B. Tynes, Y. Fonjallaz, and T. Triantafillou. A field deployable, multiplexed Bragg grating sensor system used in an extensive highway bridge monitoring evaluation tests. IEEE Sensors Journal, 5(3):510–519, 2005.

[13] B. Glišic and D. Inaudi. Fibre Optic Methods for Structural Health Monitoring. Wiley, Chichester, 2007.

[14] S.-c. Her and C.-y. Huang. The Effects of Adhesive and Bonding Length on the Strain Transfer of Optical Fiber Sensors. Applied Sciences, 6(13):1–9, 2016.

[15] W. Hong, Z. Wu, C. Yang, C. Wan, and G. Wu. Investigation on the damage identification of bridges using distributed long-gauge dynamic macrostrain response under ambient excitation. Journal of Intelligent Material Systems and Structures, 23(1):85–103, 2012.

[16] M. Jansen. A robust approach to topology optimization accounting for geometric imperfections. PhD thesis, KU Leuven, 2014.

[17] A. Kerrouche, W. J. O. Boyle, T. Sun, and K. T. V. Grattan. Design and in-the-field performance evaluation of compact FBG sensor system for structural health monitoring applications. Sensors and Actuators, A: Physical, 151(2):107–112, 2009.

[18] J. T. Kim, Y. S. Ryu, H. M. Cho, and N. Stubbs. Damage identification in beam-type structures: Frequency-based method vs mode-shape-based method, volume 25. 2003.

[19] B. S. Lazarov, M. Schevenels, and O. Sigmund. Robust design of largedisplacement compliant mechanisms. Mechanical Sciences, 2(2):175–182, 2011.

[20] K. Liu and A. Tovar. An efficient 3D topology optimization code written in Matlab. Structural and Multidisciplinary Optimization, 50(6):1175–1196, 2014.

[21] J. M. Lopez-Higuera, L. Rodriguez Cobo, A. Quintela Incera, and A. Cobo. Fiber Optic Sensors in Structural Health Monitoring. Journal of Lightwave Technology, 29(4):587–608, 2011.

[22] J. Luo, Z. Luo, S. Chen, L. Tong, and M. Y. Wang. A new level set method for systematic design of hinge-free compliant mechanisms. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 198(2):318–331, 2008.

[23] K. Maute and D. M. Frangopol. Reliability-based design of MEMS mechanisms by topology optimization. Computers and Structures, 81:813–824, 2003.

[24] C. B. W. Pedersen, T. Buhl, and O. Sigmund. Topology synthesis of largedisplacement compliant mechanisms. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 50:2683–2705, 2001.

[25] E. Reynders, G. De Roeck, P. Gundes Bakir, and C. Sauvage. Damage Identification on the Tilff Bridge by Vibration Monitoring Using Optical Fiber Strain Sensors. Journal of Engineering Mechanics, 133(2):185–193, 2007.

[26] M. Schevenels. Topology optimization : basic concepts and robust design Introduction. In Bauhaus Summer School 2014: Forecast Engineering, number August 18-29, Weimar, 2014.

[27] M. Schevenels, B. S. Lazarov, and O. Sigmund. Robust topology optimization accounting for spatially varying manufacturing errors. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 200:3613–3627, 2011.

[28] W. L. Schulz, J. P. Conte, and E. Udd. Long-gage fiber optic Bragg grating strain sensors to monitor civil structures. Proceedings of SPIE, pages 56–65, 2001.

[29] W. L. Schulz, J. P. Conte, E. Udd, and J. M. Seim. Static and dynamic testing of bridges and highways using long-gage fiber Bragg grating based strain sensors. Industrial Sensing Systems, 4202:79–86, 2000.

[30] O. Sigmund. On the Design of Compliant Mechanisms Using Topology Optimization. Mechanics Based Design of Structures and Machines, 25(4):493–524, 1997.

[31] O. Sigmund. A 99 line topology optimization code written in Matlab. Structural and Multidisciplinary Optimization, 21:120–127, 2001.

[32] O. Sigmund. Design of multiphysics actuators using topology optimization - Part II: Two material structures. Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering, 190:6577–6604, 2001.

[33] O. Sigmund. Manufacturing tolerant topology optimization. Acta Mechanica Sinica/Lixue Xuebao, 25(2):227–239, 2009.

[34] Suzhen Li and Zhishen Wu. Sensitivity Enhancement of Long-gage FBG Sensors for Macro-strain Measurements. Structural Health Monitoring, 8(6):415–423, 2009.

[35] K. Svanberg. MMA and GCMMA, two methods for nonlinear optimization. 2007.

[36] R. C. Tennyson, A. A. Mufti, S. Rizkalla, G. Tadros, and B. Benmokrane. Structural health monitoring of innovative bridges in Canada with fiber optic sensors. Smart Materials and Structures, 10:560–573, 2001.

[37] A. Teughels and G. De Roeck. Structural damage identification of the highway bridge Z24 by FE model updating. Journal of Sound and Vibration, 278:589–610, 2004.

[38] J. F. Unger, A. Teughels, and G. De Roeck. Damage detection of a prestressed concrete beam using modal strains. Journal of Structural Engineering, 131(9):1456–1463, 2005.

[39] F. Wang, B. S. Lazarov, and O. Sigmund. On projection methods, convergence and robust formulations in topology optimization. Structural and Multidisciplinary Optimization, 43:767–784, 2011.

Universiteit of Hogeschool
Master of Science in de ingenieurswetenschappen: bouwkunde, optie Civiele techniek
Publicatiejaar
2016
Promotor
Edwin Reynders; Guido De Roeck; Mattias Schevenels
Kernwoorden