Estudio del encapsulado de sensores de fibra óptica para la medida de muy altas temperaturas y de pautas para su aplicación en la monitorización de túneles sometidos a fuego

Abstract

[EN] Disasters such as the fires in the Tauern tunnel (2000), St. Gotthard tunnel (2001) and Wuxi Lihu (2010) show the importance and the necessity of monitoring structures vulnerable to fire. Through this strategy, the assessment of fire damaged structures would be possible and if necessary, the demolition operation would be guided.

In those cases is vital to detect the fire in an early stage and to have available the temperature profile history, which means the exposition time and maximum temperatures as a function of time, in order to be able to evaluate the structural damage and reduce the time that the tunnel is closed and the economic losses associated with this time.

The success of a monitoring strategy depends mainly of two aspects. On one hand, it is vital to have sensors systems that are able to resist the harsh conditions that are presents in a fire and at the same time they should be reliable, easy to install and cheap. On the other hand, it is necessary to develop monitoring strategies to design sensors network, data management and to facilitate the decision making process.

Within this general context, this PhD. Thesis: 1. Develop fiber optic sensors to measure high temperatures on structures vulnerable to fire. The behavior and properties of the sensors are evaluated through experimental test, using both electrical and fire test furnaces. 2. Establishment of monitoring guidelines for tunnel under fire loads to design a sensor network including the number, type and positions of sensors to install.

The development of the sensors has a strong experimental component, in which the different packaging and the properties of the resulting sensors are studied. The behavior of the sensors under harsh environments and under high temperatures are tested on fire test where the sensors were subjected to direct flames and temperature increments of the order of 200oC/min, similar to those in a real fire.

Instead, the development of the monitoring guidelines is based on the results obtained from computational fluid dynamics models in which the temperatures reached along the tunnel in several fire scenarios are calculated. Furthermore, the development of the monitoring guidelines makes use of statistics and comparison techniques to define the optimal solutions of multi objective sensor network design problem.

[ES] Acontecimientos como los incendios en los túneles de Tauern (2000), San Gotardo (2001) y Wuxi Lihu (2010) ponen de manifiesto la gran importancia y necesidad de monitorizar las estructuras vulnerables al fuego para poder evaluar su seguridad estructural, el daño generado, las zonas afectadas y, llegado el caso, proceder a su demolición de forma segura.

En estos casos es vital poder detectar el fuego en forma temprana y conocer la historia de temperaturas, es decir el tiempo de exposición y las temperaturas máximas alcanzadas en función del tiempo para poder evaluar el estado de la estructura y el daño alcanzado; con el fin de reducir los tiempos en los que la estructura este fuera de servicio y las pérdidas que esto suele contraer. El éxito de la monitorización de estructuras sometidas a fuego depende fundamentalmente de dos aspectos. Por un lado es fundamental contar con sistemas de sensores que sean capaces de resistir las condiciones severas que se generan en un incendio, que a su vez sean fiables, fáciles de instalar y económicos. Por otro lado, es necesario contar con pautas de monitorización de estructuras vulnerables a la acción del fuego, que guíen el diseño de la red de sensores, que indiquen los métodos más adecuados para el procesado de los datos medidos y que faciliten la toma de decisiones en caso de incendio.

En este contexto general, esta Tesis Doctoral: 1) Desarrolla sensores de fibra óptica para la medida de temperaturas en estructuras sometidas a altas temperaturas. Las propiedades y el comportamiento de estos sensores son evaluados en ensayos experimentales, empleando hornos eléctricos de altas temperaturas y hornos de ensayos de fuego. 2) Establece unas pautas de monitorización en túneles frente a la acción del fuego que guían sobre el tipo de sensores a emplear, cómo, dónde y en qué cantidad deben colocarse. El desarrollo de los sensores tiene una fuerte componente experimental, en la cual se evalúan distintos encapsulados y las propiedades resultantes de los sensores formados por los distintos encapsulados. El comportamiento de los sensores a ambientes adversos y altas temperaturas es evaluado en ensayos de fuego que exponen a los sensores a llama directa y a gradientes de temperaturas del orden de los 200°C/min similares a los de incendios reales.

Por su parte el desarrollo de las pautas de monitorización está basado en los resultados que se obtienen con modelos de mecánicas de los fluidos computacional en los que se estudian las temperaturas alcanzadas a lo largo del túnel en diferentes condiciones de incendios. A su vez el desarrollo de las pautas de monitorización requiere el empleo de herramientas estadísticas y de comparación de soluciones que han sido empleadas para determinar las configuraciones óptimas de colocación de sensores para problemas multiobjetivo.

[CA] Esdeveniments com els incendis als túnels de Tauern (2000), Sant Gotard (2001) IWuxi Lihu (2010) posen de manifest la gran importància I necessitate de monitoritzar les estructures vulnerables al foc per a poder avaluar la seua seguretat, el dany generat, les zones afectades i, arribat el cas, procedir a la seua demolició de forma segura. En aquestos casos és vital poder detectar el foc de forma primerenca i conéixer la historia de temperaturas, és a dir, el temps d'exposició i les temperaturas màximes aconseguides en funció del temps per a poder avaluar l'estat de l'estructura i el dany aconseguit; a fi de reduir els temps en què l'estructura estiga fora de servici i les pèrdues que açò sol contraure.

L'èxit de la monitorització d'estructures sotmeses a foc depén fonamentalment de dos aspectos. Per un costat és fonamental comptar amb sistemes de sensors que siguen capaços de resistir les condicions severes que es generen en un incendi, i al mateix temps siguen fiables, fàcils d'instal lar i econòmics. D'altra banda, és necessari comptar amb pautes de monitorització d'estructures vulnerables a lácció del foc, que guien el disseny de la xarxa de sensors, que indiquen els mètodes més adequats per al processat de les dades i que faciliten la presa de decicions en cas d'incendi.

En aquest context general, la present Tesi Doctoral: 1. Desenrotlla sensors de fibra òptica per a la mesura de temperaturas en estructures sotmeses a elevades temperaturas. Les propietats i el comportament d'estos sensors son avaluats en assajos experimentals, emprant forns elèctrics d'elevades temperaturas i forns d'assajos de foc. 2. Establix unes pautes de monitorització en túnels enfront de l'acció del foc que guien sobre els tipus de sensors a emprar, com, on i en quina quantitat han de col locar-se.

El desenrotllament dels sensors té una forta component experimental, en la qual s'avaluen distints encapsulats i les propietats resultants dels sensors formats pels distints encapsulats. El comportament dels sensors davant ambient adversos i altres temperaturas es avaluat en assajos de foc que exposen als sensors a flama directa i a gradients de temperaturas de l'ordre dels 200oC/min semblants als díncendis reals.

Per la seua banda, el desenrotllament de les pautes de monitorització està basat en els resultats que s'obtenen amb models de mecániques dels fluids computacional on s'estudies les temperaturas aconseguides al llarg del túnel en diferents condicions d'incendis. Al mateix temps, el desenrotllament de les pautes de monitorització requerix l'ocupació de ferramentes estadístiques i de comparació de solucions òptimes en problemes multiobjectius.