Schweißbare faseroptische Sensoren zur Dehnungsmessung in einer Stahlbeton-Konstruktion

Eine Gruppe von Forschern der Technischen Hochschule für Bauingenieurwesen der Polytechnischen Universität von Madrid (UPM), unter der Leitung vonJulián García Díaz, Nieves Navarro Cano und Edelmiro Rúa Álvarez, führte Tests mit dem Ziel durch, Risse im Beton zu erkennen und die Dehnung des Stahls nach dem Aufbringen verschiedener Laststufen zu messen.
Dadurch konnte der genaue Zeitpunkt der Bildung von ersten Rissen in einem Balken bestimmt werden.

Das Problem

Eine Gruppe von Forschern der Polytechnischen Universität Madrid (UPM) stand vor der Aufgabe, die Dehnungen im Inneren einer Konstruktion zu messen, und zwar nicht nur im Beton, sondern auch im Stahl. Dafür wurden modernste schweißbare faseroptische Sensoren und Datenerfassungstechnik benötigt.

Die Lösung

Das Universitätsteam verwendete eine Messlösung bestehend aus faseroptischen Sensoren und Temperatursensoren, Wegaufnehmern, einem Datenerfassungssystem (DAQ) QuantumX MX1615, FS22-Interrogatoren und der Software catman Easy von HBM (jetzt HBK). Diese Lösung erwies sich als genau, einfach anzuschließen und hinsichtlich der Größe ideal für die Arbeit vor Ort.

Das Ergebnis

Die Tests, die mit Hilfe von HBK-Produkten durchgeführt wurden, zeigten die Eignung der faseroptischen Sensoren für dieses Projekt und führten zu einer realitätsgetreueren Darstellung des Verhaltens der Betonkonstruktion als mit herkömmlichen Formeln für die Werkstofffestigkeit.

Faseroptische Sensoren als perfekte Wahl zur Messung der Dehnung im Inneren

Das UPM-Team verwendete schweißbare faseroptische Sensoren auf Basis von FBG (Faser-Bragg-Gitter) anstelle herkömmlicher Methoden wie Infrarot-Thermografie, Schallemission, digitale Bildkorrelation (DIC), Ultraschallsensoren, optische Kunststofffasern oder Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Sensoren.

„Da die Sensoren an den Bewehrungsstab geschweißt werden können, konnten die Dehnungen im Inneren einer Konstruktion gemessen werden, und zwar nicht nur die des Betons, sondern auch die des Stahls selbst,“ sagt Julián García Díaz, Doktorand im Bereich Technische Innovation im Bauingenieurwesen.

Faseroptische Sensoren wurden aufgrund ihrer Eigenschaften ausgewählt, insbesondere wegen ihrer Langlebigkeit im Vergleich zu herkömmlichen elektrischen Dehnungsmessstreifen, Langzeitsignalstabilität unter ungünstigen Bedingungen, der Möglichkeit, mehrere Sensoren in ein und demselben Kabel unterzubringen (Multiplexing) und ihrer Störfestigkeit (EMI/RFI). Darüber hinaus hat die Kabellänge keinen Einfluss auf den Messvorgang. All dies resultiert in Kostenvorteilen und Verbesserungen der Leistungsfähigkeit und Genauigkeit.

Durch Hinzunahme von faseroptischen Sensoren konnten García Díaz und sein Team bei ihren Versuchen an zwei Betonträgern (200 mm × 300 mm und 300 mm × 500 mm und einer Länge von 3000 mm) mit Bewehrungsstahl von den zahlreichen Funktionen des Messdatenerfassungssystems QuantumX MX1615, der FS22-Interrogatoren und der Software catman Easy profitieren.

Aufbau des Messsystems

Das Messsystem umfasste Arrays bestehend aus zwei faseroptischen Sensoren und einem Temperatursensor (zur Kompensation der Empfindlichkeit der faseroptischen Sensoren), an das 16-Kanal-Messdatenerfassungssystem QuantumX MX1615 angeschlossene Wägezellen sowie einen mit dem Messverstärker MX1615B kompatiblen 20-mm-Potentiometer-Wegaufnehmer mit einer Genauigkeit von 0,1%. Das Datenerfassungssystem wurde an einen Computer mit der Software catman Easy angeschlossen, ebenso wie die FS22-Interrogatoren.

„Seit ich mit der Forschung für meine Doktorarbeit begonnen habe, verlasse ich mich aus zwei Gründen auf Produkte von HBM, jetzt HBK: Die Möglichkeit, schweißbare Sensoren zu verwenden und das Engagement und die Professionalität ihres Teams. Im Verlauf dieser Forschungsarbeit haben sie uns ein System zur Verfügung gestellt, das genau, einfach anzuschließen und hinsichtlich der Größe ideal für die Arbeit im Feld ist. Und darüber hinaus werden die Ergebnisse sofort über die Software catman Easy vom Computer empfangen.“


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Faseroptische Messungen liefern wichtige Erkenntnisse: Mikrorisse erkannt

Dadurch können nun durch die faseroptische Sensorik einige mit bloßem Auge nicht sichtbare Mikrorisse erkannt werden, so dass es möglich sein sollte, das Verhalten des Betons zu analysieren und die Verformung des Stahls zu bestimmen.
Die Tests haben beispielsweise gezeigt, dass die Stahldehnung größer ist als durch die theoretischen Berechnungen ermittelt wurde und lange vor der in früheren Laborversuchen ermittelten Dehnung auftritt.
García Díaz ergänzt:

„Die Ergebnisse haben sich mit meinen Erwartungen gedeckt, da wir im Verlauf der Tests ein viel realitätsgetreueres Verhalten von Strukturen erzielen konnten als mit den herkömmlichen Formeln für Werkstofffestigkeit.“

Aus all diesen Gründen plant die UPM-Forschungsgruppe, HBK-Produkte auch in Zukunft in ihren Projekten zur Messung der Verformung von Strukturen einzusetzen.

Der Kunde: Die UPM-Gruppe für Hochbau

Die Gruppe für Hochbau ist Teil der Abteilung für die Mechanik kontinuierlicher Medien und Theorie von Konstruktionen der Hochschule für Bauingenieurwesen der Polytechnischen Universität Madrid (UPM).

Neben der Vermittlung von grundlegenden und fortgeschrittenen Themen, die Teil des Programms für Hochbau der Hochschule für Bauingenieurwesen sind, führt diese Gruppe auch Forschungsprojekte im Bereich des Hochbaus durch. Darüber hinaus setzt sie sich für die Förderung des Hochbaus als fundamentalem Zweig des Bauingenieurwesens ein und bietet spezialisierte Dienstleistungen für den öffentlichen und privaten Sektor an.

Außerdem...

Für die SHMII 10 (Structural Health Monitoring of Intelligent Infrastructure), die zehnte Konferenz zur Strukturüberwachung intelligenter Infrastruktur, haben die HBK-Experten für optische Technologie zusammen mit Julián García Díaz einen technischen Artikel über die Strukturüberwachung mit faseroptischen Sensoren verfasst.

Lesen Sie mehr! Erhältlich ab Juli 2021.


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