Recommandations pour les capteurs à fibre optique

De manière générale, la principale recommandation pour les capteurs à fibre optique est de réduire au minimum le nombre de matériaux différents les constituant, ce qui paraît être une évidence mais qui n’est généralement pas mis en pratique. L’homogénéisation de ces constituants permet de diminuer les perturbations liées aux problèmes de déformations diffé- rentielles et de liaisons internes (cf. 2.2.2.1 et 2.2.2.2).

5.1.1 Revêtement primaire

Le revêtement primaire de la fibre optique est indispensable (cf. 1.1.2). Afin de réduire les perturbations occasionnées par les déformations différentielles entre les différents maté- riaux (cf. 2.2.2.1), il est préférable de choisir un matériau avec des caractéristiques proches de celles de l’ensemble cœur / gaine optique, voire supérieures (cf. 3.4.2.2).

Or les revêtements primaires couramment utilisés sont en matière plastique, comme par exemple le polyimide, se déformant plus sous un même chargement que les matériaux du cœur et de la gaine optique : Epolyimide = 3 GPa et Ecœur = Egaine optique = Esilice = 70 GPa (cf. 3.3).

Si l’emploi de ce type de revêtement est imposé, il faudra alors veiller que son épaisseur soit la plus faible possible (même principe que pour l’épaisseur de colle (cf. 3.4.2.1 – b)).

5.1.2 Liaison fibre optique / gaine mécanique

L’idéal serait de ne pas avoir de matériau supplémentaire entre le revêtement primaire de la fibre optique et la gaine mécanique. L’application de cette gaine par fusion, dans le cas par exemple d’un matériau composite, directement sur le revêtement primaire, permettrait de ne pas utiliser de matériau de liaison.

Le collage est cependant la technique d’assemblage la plus courante entre la fibre opti- que et la gaine mécanique (cf. 2.2.2.2). C’est celle choisie dans la présente étude. L’usage du collage pour assurer cette liaison mécanique est à doser avec précaution. Les faibles dimen-

sions transversales de la fibre rendent plus délicates les préparations de la surface de contact ainsi que son maniement lors de l’opération de collage. De plus, comme pour le revêtement primaire, les colles sont en général des matériaux très déformables sous faibles chargements :

Erésine époxyde = 4GPa. Cela implique d’avoir une épaisseur de joint de colle la plus faible pos-

sible afin de réduire les perturbations engendrées (cf. 3.4.2.1 – b)) : une épaisseur de l’ordre

de 100µm est convenable. La tenue mécanique dans le temps du joint de colle s’en trouve

améliorée face notamment au comportement de fluage et aux variations de température. De faibles épaisseurs de colle peuvent néanmoins poser des problèmes de continuité, et rendre difficile la maîtrise de l’épaisseur mais aussi de la constance de celle-ci sur chaque génératrice de la fibre optique.

Il a été vu que les joints de colle peuvent induire des perturbations au niveau de la base de mesure de la fibre optique (cf. 3.4.2.3). Cette dernière doit être distante d’au moins 1mm

des extrémités du joint de colle, pour une épaisseur de celui-ci de 100µm environ, afin

d’éviter les perturbations dues aux effets de bord.

Le collage et d’autres matériaux étant fragilisé par les agressions de l’humidité (cf. 2.2.3.1), le capteur à fibre optique doit être protégé en conséquence pour qu’il soit rendu in- sensible aux actions hydriques.

5.1.3 Gaine mécanique

5.1.3.1 Dimensions

1) Cavité interne

La cavité interne à la gaine mécanique contenant la fibre optique sera de préférence si- tuée au centre de cette gaine afin de ne pas apporter de perturbation supplémentaire sur la mesure lorsque les sollicitations ne sont pas parfaitement axiales, comme c’est souvent le cas dans la réalité en conditions de chantier (positionnement du capteur et prévision de la direc- tion difficiles sur ouvrage).

Pour ce qui est du collage, une faible épaisseur du joint de colle implique de faibles di- mensions de la cavité interne à la gaine mécanique, contenant la fibre optique et la colle. Dans le cas où cette cavité est au centre de la gaine mécanique, son usinage est rendu plus difficile pour de faibles dimensions (diamètre de l’ordre de 400µm) et l’insertion de la fibre optique y est plus délicate. Une rainure pratiquée en surface de la gaine mécanique est plus facile d’usinage. Pour un même matériau, ayant une plus faible déformation par rapport à la fibre optique et la colle (ex. : acier inoxydable), les mesures de déformation sont sensiblement les mêmes pour une cavité au centre et en périphérie de la gaine mécanique (cf. 3.4.2.1 – b)). Une enduction soignée de la colle dans la rainure est nécessaire afin d’appliquer la colle sur toute sa surface et ainsi d’éviter les discontinuités de collage.

Une géométrie en U de la rainure en périphérie est cependant plus adéquate que la géo- métrie en Vé étudiée, afin de mieux solliciter la fibre optique sur toute sa moitié inférieure

avec une épaisseur de colle relativement faible et continue (cf. 3.4.2.2). Ce cas, où la fibre optique est en périphérie de la gaine mécanique, peut néanmoins induire des perturbations supplémentaires non négligeables pour des capteurs en surface, dans le cas d’une configura- tion d’ancrages et de gaine mécanique particulière impliquant des déformations variant sur tout le diamètre de la gaine mécanique (cf. 3.6.2.2 – a)).

2) Diamètre extérieur

Le diamètre extérieur de la gaine mécanique dépend essentiellement des dimensions des granulats du béton et du diamètre de la fibre optique :

• Pour le cas en volume, le diamètre de la gaine mécanique ne doit pas être trop petit à cause du poinçonnement possible des granulats du béton pouvant détériorer la fibre optique. Un matériau plus dur que le béton est alors préférable (ex. : acier inoxydable) (cf. Tableau 3.11). Pour des diamètres plus importants, le matériau de la gaine mécanique peut être moins dur, la fibre optique subissant alors peu les effets de bord, avec des caractéristiques mécani- ques se rapprochant de celles du béton (cf. 3.5.2.2 – a)).

• Le diamètre extérieur de la gaine mécanique doit être suffisamment grand par rapport au diamètre de la fibre optique afin de pouvoir entraîner correctement cette fibre et ne pas être perturbé par sa présence (cf. 3.4.2.1 – a)) : d’après les dimensions considérées (3,2 et 5mm) un rapport de 10 convient.

3) Longueur

Les dimensions parallèles à l’axe des sollicitations (longueur du capteur) dépendent principalement de la taille des granulats du béton et des dimensions de la structure instru- mentée (cf. 2.2.4.2, 3.5.2.1 – c), et 3.6.2.1 – c)) :

• La longueur minimale doit être supérieure ou égale à trois fois la plus grande dimen- sion du plus gros granulat. Cette longueur dépend également des dimensions de la zone des perturbations dans le béton engendrées par les ancrages.

• La longueur maximale dépend des effets de bords impliquant des distributions parti- culières du champ de contraintes et de déformations du béton. D’après les études réalisées sur le sujet et les résultats de la présente étude, la longueur du capteur doit être inférieure ou égale à deux fois la distance le séparant d’éléments induisant des perturbations des champs de contraintes et de déformations (ex.: armatures, bords de la structure).

5.1.3.2 Caractéristiques mécaniques

Les caractéristiques mécaniques de la gaine mécanique doivent être plus élevées que celles de l’ensemble fibre optique / liaison entre la fibre optique et la gaine mécanique (cf. 3.4.2.2) : les matériaux utilisés peuvent aller de l’acier inoxydable (Eacier inoxydable = 200GPa)

jusqu’à un matériau composite avec des caractéristiques mécaniques proches de celles d’un BO B40 (Ecomposite = 43 GPa). Les caractéristiques mécaniques des matériaux constituant

l’ensemble fibre optique / liaison entre la fibre optique et la gaine mécanique ne perturbent alors que très faiblement le comportement de la gaine mécanique. Une solution consisterait à appliquer à la fibre optique un revêtement en composite directement par fusion lors de sa fa- brication sur la tour de fibrage (cf. 1.1.3), avec la possibilité de doser la composition du maté- riau pour faire varier ses caractéristiques mécaniques suivant les besoins, mais également de contrôler ses dimensions et formes.

Les caractéristiques mécaniques de la gaine mécanique sont aussi fonction des caracté- ristiques mécaniques du béton (cf. 3.5.2.2 – a) et b), et, 3.6.2.2 – a) et b)) :

• Pour le cas en volume, le capteur doit posséder les mêmes caractéristiques mécani- ques que le volume de béton qu’il remplace dans le but de minimiser les perturbations. Si le concepteur veut pouvoir avoir une marge d’erreur plus confortable dans la fabrication du

capteur, il est alors préférable qu’il prenne pour la gaine mécanique un matériau se déformant moins que le béton (ex. : acier inoxydable), un biais systématique apparaît alors dans les dé- formations mesurées (cf. Tableau 3.13) que l’utilisateur doit prendre en compte. Suivant les dimensions du capteur ce choix peut néanmoins être perturbateur pour le comportement même du béton. Les matériaux de gaine mécanique se déformant plus que le béton sont à éviter pour le cas en volume, perturbant trop significativement les mesures et fragilisant le béton.

• Pour le cas en surface c’est l’inverse. Pour des ancrages perturbant peu la mesure (cf. Figure 3.16), il est préférable que la gaine mécanique du capteur soit constituée d’un matériau se déformant plus facilement comparé aux autres matériaux en présence (notamment ceux des ancrages). De même que pour le cas en volume, le capteur doit avoir des caractéristiques mé- caniques similaires au matériau qu’il remplace (l’air dans le cas présent) afin d’avoir un mi- nimum de perturbations sur le mesurage de déformation. Une solution consisterait à tendre entre les deux ancrages une fibre optique avec une gaine mécanique en composite ou seule- ment avec son revêtement primaire (en polyimide par exemple). Elle serait prétendue à une tension lui permettant à la fois de travailler en relâchement (sollicitations de compression) mais aussi en traction, dans la plage de déformations souhaitée par l’utilisateur.

5.1.3.3 Conditionnement de la fibre optique

Afin de minimiser les tensions de liaison entre la fibre optique, les constituants du conditionnement et le béton, il est préférable que ce conditionnement possède un coefficient de dilatation thermique linéaire intermédiaire entre celui de la fibre optique et celui du béton (cf. 2.2.3.2).

5.2 Recommandations pour l’intégration au milieu de mesure