Systematic review of smart fasteners and washers - with application of Fiber Bragg Grating (FBG) sensors for bolt tension monitoring

Bolted or mechanical fastening is one of the oldest and widely used joining techniques. Pre-load on a bolted connection directly impacts its load bearing capacity and pre-load monitoring is an important aspect of structural health monitoring (SHM). Conventionally used torque wrenches can provide only an approximation of the pre-load or the tensile load acting on the bolt and cannot be used for monitoring. The aim of this thesis is to design and fabricate smart bolts integrated with fiber Bragg grating (FBG) sensors to monitor the variations of bolt preload or the tensile load acting on the bolt. By taking advantage of the high sensitivity and the small size of Fiber Bragg Grating (FBG) sensor, two different prototypes of smart bolts are designed. One smart bolt is fabricated by drilling a 1mm diameter hole along the axis of the bolt through a length of 35mm. The sensor is embedded inside the bolt, fully to the bottom of the drilled channel such that the sensor is positioned at the middle of unthreaded shank of the bolt. Alternatively, in the second prototype the smart bolt is formed by encircling the flange of the bolt by an optical fiber with a FBG sensor. First, a smooth groove is pre-machined using electrical discharge machining (EDM) along the outer surface of the flange of the bolt. The FBG sensor is positioned in the groove, such that the middle of the sensor is placed on one of the hexagonal edges where the strain is maximum. To validate the functionality of the FBG-enabled smart bolt for in situ bolt tension monitoring, two experiments are performed, a preliminary one where the bolt is subjected to torque using dynamometric wrench and the final experiment where the bolt is subjected to tension using a universal tensile testing machine (UTM). Experimental results demonstrate that the proposed novel approach can monitor in real time the bolt pre-load and reveal the linear relationship between the pre-load and the wavelength of the FBG sensor.

Il fissaggio bullonato o meccanico è una delle tecniche di giunzione più antiche e ampiamente utilizzate. Il precarico su una connessione bullonata influisce direttamente sulla sua capacità di carico e il monitoraggio del precarico è un aspetto importante del monitoraggio della salute strutturale (SHM). Le chiavi dinamometriche utilizzate convenzionalmente possono fornire solo un'approssimazione del precarico o del carico di trazione agente sul bullone e non possono essere utilizzate per il monitoraggio. Lo scopo di questa tesi è progettare e fabbricare bulloni intelligenti integrati con sensori di fibra a reticolo di Bragg (FBG) per monitorare le variazioni del precarico del bullone o del carico di trazione che agisce sul bullone. Sfruttando l'elevata sensibilità e le ridotte dimensioni del sensore Fiber Bragg Grating (FBG), vengono progettati due diversi prototipi di bulloni intelligenti. Un bullone intelligente viene fabbricato praticando un foro di 1 mm di diametro lungo l'asse del bullone per una lunghezza di 35 mm. Il sensore è incorporato all'interno del bullone, completamente sul fondo del canale perforato in modo tale che il sensore sia posizionato al centro del gambo non filettato del bullone. In alternativa, nel secondo prototipo il bullone intelligente è formato circondando la flangia del bullone da una fibra ottica con un sensore FBG. In primo luogo, una scanalatura liscia viene prelavorata mediante elettroerosione (EDM) lungo la superficie esterna della flangia del bullone. Il sensore FBG è posizionato nella scanalatura, in modo tale che il centro del sensore sia posizionato su uno dei bordi esagonali dove la deformazione è massima. Per convalidare la funzionalità del bullone intelligente abilitato per FBG per il monitoraggio della tensione del bullone in situ, vengono eseguiti due esperimenti, uno preliminare in cui il bullone viene sottoposto a coppia utilizzando una chiave dinamometrica e l'esperimento finale in cui il bullone viene sottoposto a tensione utilizzando una macchina universale per prove di trazione (UTM). I risultati sperimentali dimostrano che il nuovo approccio proposto può monitorare in tempo reale il precarico del bullone e rivelare la relazione lineare tra il precarico e la lunghezza d'onda del sensore FBG.