reflexion concrete 400

Erfahrungen bei der Anwendung von Faser-BraggSensoren zur Dehnungsmessung bei Betonbauteilen
Dr.-Ing. Thomas Klink
Langzeitige Dehnungsmessung an
Bauwerken mit faseroptischen Sensoren
Gliederung:
1. Grundprinzip
2. Meß- und Auswertetechnik
3. Vorteile und Nachteile
4. Applikationen im Bauwesen
• Messung des plastischen Schwindens
• Vorspannung in Stahlfasern
• Langzeitmessung an Brücken
Dehnungsmessung zur Charakterisierung
des Tragverhaltens
Kurzzeitmessung
Langzeitmessung
induktive Wegaufnehmer
Schwingsaitenaufnehmer
Dehnmeßstreifen (DMS)
faseroptische Sensoren
La
se
r
Aufbau der FBG-Sensoren
La
se
r
Coating
Ge-dotierte
Glasfaser
=
• Erzeugen von Brechzahlsprüngen in Glasfasern mittels
Laserstrahlen
• Bragg-Gitter besteht aus einer
Vielzahl von Brechzahlsprüngen (Gittersegmente)
• äquidistante Abstände der
Gittersegmente des BraggGitters
Funktionsprinzip der FBG-Sensoren
• Reflexion und Transmission an den
Gittersegmenten
• konstruktive Überlagerung:
• Verstärkung der Lichtintensität in
Reflexion
• Verringerung der Lichtintensität in
Transsmission
2 × d × sin ε = k × λ
• nur bei bestimmter Wellenlänge, die die
k∈N
Bragg´sche Reflexionsbedingung erfüllt
bzw. bei ε = 90° und Berücksichtigung
- Bragg-Wellenlänge
der Änderung der Phasengeschwindigkeit
• bei Änderung des Abstandes der
in Medien mit unterschiedlicher Brechzahl:
Gittersegmente (Dehnung/Stauchung,
λ
Temperaturänderung) proportionale
λ= 0
nm
Veränderung der Bragg-Wellenlänge
Gittersegmente
λ0 = 2nm ⋅ Λ
nm= mittlere Brechzahl des
Gittersegmentes
Λ = Periodenlänge des FBG
Funktionsprinzip der FBG-Sensoren
Lichtquelle
Reflektion
an Gittersegment 1
Reflektion
an Gittersegment 2
Transmission
durch Gittersegment 1
2 ⋅Λ = λ
λ =
λ0
nm
λ0 = 2nm ⋅ Λ
nm= mittlere Brechzahl des Gitters
Λ = Periodenlänge des FBG
λ, λ0 = Bragg-Wellenlängen
Auswertung der Meßwerte der FBGSensoren
Lineare Abhängigkeit zwischen Dehnung und Wellenlängenänderung
Faser - allein:
•∆λ
∆λ
= (1 − p e )( ε NS + α S ∆ T ) + ζ ∆ T
λ
Faser auf Sensorträger:
ε + α ∆T = ε + α ∆T
S
N
S
T
N
Wellenlänge
•λ
Referenz-Bragg-Wellenlänge
•pe
photoelastische Konstante
•εS N
mechanische Dehnung der
Faser
•α S
T
∆λ
= (1 − p e )(ε NT + (α T − α S )∆T ) + ζ∆T
λ
relative Änderung der Bragg-
thermischer Ausdehnungskoeffizient der Glasfaser
•∆T
Temperaturänderung gegenüber
der Referenztemperatur
•ζ
thermooptischer Koeffizient
Vorteile der FBG-Sensoren
• durch geringe Abmessungen keine wesentlichen Störungen
im Gefüge des Bauteils
• kein Einfluß von Dämpfungen in der Zuleitung auf die
Auswertung des Spektrums (große Entfernungen möglich)
• Sensoren arbeiten kalibrierungsfrei -Langzeitüberwachung
• Bragg-Wellenlänge enthält Informationen über Dehnungen
und Temperaturen im Bauteil
• hohe elektromagnetische Verträglichkeit der Sensoren
• Möglichkeit der Multiplexing-Technik
Versuchsanordnung zur Messung der FBGSensoren
Messung in Transmission
Lichtquelle
Faser-Bragg-Sensor
Optischer
Spektralanalysator
(OSA)
Messung in Reflexion
Optischer
Spektralanalysator
(OSA)
Lichtquelle
Koppler
Faser-Bragg-Sensor
Auswertung des Lichtspektrums mit Hilfe
des optischen Spektralanalysators
Bragg-Wellenlänge
Grenzwerte
lokales Minimum
(Reflexion: Maximum)
Sensorapplikationen von Faser-Bragg-Gittern zur
Dehnungsmessung
Applikationen
Dehnung - Stahl
(Neubau + alt)
Dehnung - Beton
(Neubau)
Dehnung - Beton
(alt)
Aufkleben
Einbetten in eine
Nut im Stahl
Sensorträger
Betonprisma
Einbetten in eine
Nut im Beton
Sensorträger für Beton - FEM
Hohlraum (Länge 20,5;
Durchmesser 8,2)
Hülse (Länge 13;
Durchmesser 10;
Wandstärke 0,9)
Zentrierstück (Länge 26,
Durchmesser 10)
Endplatte (25*25*5)
Rohr (Länge 147;
Durchmesser 9,5;
Wandstärke 0;75)
alle Maßangaben inmm
Modell des Sensorträgers (Darstellung einer Hälfte) Finite-Elemente-Modell
Sensorträger für Beton - FEM
Ausschnitte aus dem Finite-Elemente-Modell mit Sensorträger (links:
ohne Diskretisierung; rechts: Vernetzung mit Tetraeder-Elementen;
hellblau: Stahl; dunkelblau: Beton)
Sensorträger für Beton - FEM
Normalspannungen in Belastungsrichtung (hellgrün:
-4,0 N/mm2; dunkelgrün: -4,0...-5,5 N/mm2; gelb/rot:
> -4,0 N/mm2)
Sensorträger für Beton - FEM
0.5
0
0
10000
20000
30000
40000
50000
Meßfehler [%]
-0.5
-1
-1.5
-2
-2.5
-3
2
Elastizitätsmodul des Betons [N/mm ]
Meßfehler, verursacht durch die versteifende Wirkung des
Sensorträgers
Versuche mit Betonprismen
Vergleich der Dehnungen von:
•4 induktiven Wegaufnehmern an
den Stirnflächen
•1 Sensorträger mit Faser-BraggGittern im Inneren
Vergleich der Meßwerte der induktiven
Wegaufnehmer und der FBG-Sensoren in den
Betonprismen
-700
FBG -Sensor
(Stahlsensorträger)
-600
-579
Dehnung [µm/m]
IWA - Mittelwert
-573
-500
-400
-381
-385
-300
-200
-188
-188
-100
0
5
0
0
110
220
Kraft [kN]
330
Vergleich zwischen Meßwerte der DMS und der
FBG-Sensoren in den Betonprismen
IWA 1
-800
IWA 2
-700
Stauchung [µm/m]
IWA 3
-600
-536
-465
-402
-442
IWA 4
-500
FBG-Sensor
-400
-290
-232
-207
-213
-140
-300
-200
-100
0
-752
-673
-600
-634
-490
-319
0
240
0
110
220
Kraft [kN]
330
Stahlbetonbalken - Versuchsaufbau
Hydraulikzylinder
Belastungsrahmen
Induktive Wegaufnehmer
Neigungssensoren
Traverse
UPM60-Vielstellenmeßanlage
Stahlbetonbalken
Lichtquelle
OSA
DMS-Beton
Vergleich DMS/FBG-Sensor in Nut der unteren
Stahlbewehrung:
1052
1020
988
988
1133
90
80
Kraft [kN]
70
60
40
232
226
215
30
219
283
50
523
807
507
487
465
566
782
742
734
849
Stahl DMS Nr.1
Stahl DMS Nr.2
FBG-Stahl Nr.1
20
FBG-Stahl Nr.2
10
Berechnung
0
0
0
200
400
600
Dehnung [µm/m]
800
1000
1200
Auswertung der Meßwerte des Sensorträgers
„Nackte Faser“ Stahlbetonbalken
FBG-Oberseite
DMS - Mittelwert
-450
-442
-437
-400
DMS-Beton oben
Dehnung [µm/m]
-350
-353
-325
FBG-Sensor oben
-300
-250
-237
-209
-200
-150
-114
-100
-96
-50
-2
0
0
10
20
30
40
50
60
70
Kraft [kN]
Variante 1 Oberseite:
80
90
FBG sensors for measuring early shrinkage strains
Schwindverformung von Zementstein
(gemessen mittels FBG-Sensoren)
w/z = 0.50
w/z = 0.45
Form 3x3x9
Form 1x3x9
FBG
Lage: mittig
1.5 cm unter
Oberfläche
Form 3x3x9
FBG
FBG
Lage: mittig
Lage: mittig
0.5 cm
unter Oberfläche
1.5 cm unter
Oberfläche
Form 6x3x9
Zwei FBG
Lage:
0.5 cm
5.0 cm
ohne
Konservierung
mit Konservierung:
Folie und Silicon
unter Oberfläche
Cement paste sample for a shrinkage test
Shrinkage strains in cement paste
(open and sealed surface)
200
Open surface
0
Strain (µm/m)
Sealed surface
-200
-400
-600
-800
-1000
0
200
400
600
800
Time (min)
1000
1200
1400
1600
Shrinkage strains in cement paste
(influence of the w/c-ratio)
0
Strain (µm/m)
-200
-400
-600
-800
w/c-ratio = 0,45
w/c-ratio = 0,50
-1000
-1200
0
60
120
180
240
Time (min)
300
360
420
480
Shrinkage strains in cement paste
(investigation into the strain gradient)
500
Sensor 5 cm below sample surface
0
Strain (µm/m)
Sensor 0,5 cm below sample surface
-500
-1000
-1500
-2000
-2500
0
30
60
90
Time (h)
120
150
180
Shrinkage strains in cement paste
(w/c=0.45 , 20°C , 40% r.h.)
0
-200
not temperature compensated
Strain (µm/m)
-400
-600
-800
temperature compensated
-1000
-1200
-1400
-1600
0
360
720
1080
1440
1800
2160
Time (min)
2520
2880
3240
3600
3960
Finite-Elemente-Modell (rechte Seite: Bereich des Faseraustrittspunktes, hellblau:
Zementstein, rot: Coating, dunkelblau: Glas)
Verbundspannungen zwischen Zementstein und Fasercoating
-8
-7
Verbundspannung [MPa]
-6
Schwinden E=10000 MPa
Schwinden E=3000 MPa
Auszugsversuch E=10000 MPa
Auszugsversuch E=3000 MPa
-5
-4
-3
-2
-1
0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
Abstand vom Probenrand [mm]
1.4
1.6
1.8
2.0
Verbundspannungen zwischen Fasercoating und Glas
-4
-3.5
Verbundspannung [MPa]
-3
Schwinden E=10000 MPa
Schwinden E=3000 MPa
-2.5
Auszugsversuch E=10000 MPa
Auszugsversuch E=3000 MPa
-2
-1.5
-1
-0.5
0
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
Abstand vom Probenrand [mm]
1.4
1.6
1.8
2.0
Kraft-Weg-Diagramme der Auszugsversuche von Glasfasern zu verschiedenen Zeiten nach dem
Mischungsbeginn
2.5
2
Zeit nach Mischbeginn
6h
Kraft in N
1.5
7h
9h
8h
1
0.5
0
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
Weg in mm
1.2
1.4
1.6
1.8
2
•Aus Berechnung max.
Verbundspannung von 4,4 Mpa bei
E=10000 und Schwinden von 0,7
Promille
•bei Erstarrungsbeginn max.
Auszugskraft von 0,685 N d.h.
Verbundspannung von 5,1 MPa
FBG sensor for measuring the strain in steel
fibre reinforcement
hooked fibre end
steel fibre
optical fibre
FBG-sensor
Strain of steel fibres in concrete with expanding agent
1200
Strain (µm/m)
1000
800
600
400
FBG at a steel fibre, start after setting
FBG at a steel fibre, start after demoulding
Dial gauge at concrete surface, start after demoulding
200
0
0
2
4
6
8
10
12
Time (d)
14
16
18
20
22
ε a 
ε a 
εx 
 εx 
ε 
ε 
ε 
ε 
 b
 b
 y
 y




εz 
ε
ε
 εz 
c
c
−1
  = [T ]   bzw.   = [T ]  
εd 
εd 
γ xy 
 γ xy 
 εe 
 εe 
γ yz 
 γ yz 
 
 
 
 
 γ zx 
ε f 
ε f 
 γ zx 
 cos 2 α a

2
 cos α b
 cos 2 α
[T ] =  2 c
 cos α d
 cos 2 α
e

2
 cos α f
cos 2 β a
cos 2 γ a
cos α a cos β a
cos β a cos γ a
2
cos β b
cos γ b
cos α b cos β b
cos β b cos γ b
2
cos β c
cos γ c
cos α c cos β c
cos β c cos γ c
2
cos β d
2
cos γ d
cos α d cos β d
cos β d cos γ d
cos β e
cos γ e
cos α e cos β e
cos β e cos γ e
cos β f
cos γ
cos α f cos β f
cos β f cos γ
2
2
2
2
2
2
f
z
e
y
d
a
b
f
c
x
f
cos γ a cos α a 

cos γ b cos α b 
cos γ c cos α c 

cos γ d cos α d 
cos γ e cos α e 

cos γ f cos α f 
Zur Eingabe
Ausdruck starten
Druckbelastung in y -Richtung mit 10 N/mm²
Meßwerte (Wert für Sensor
Sensor
∆λ [nm]
a
-0.589
b
-0.068
c
-0.013
d
-0.052
e
-0.006
f
0.097
Dehnungen
ε, γ
x
1.17E-04
y
-4.83E-04
z
1.08E-04
xy
5.24E-05
yz
-6.51E-05
zx
6.57E-05
Spannungen
σ, τ [N/mm²]
x
0.25
y
-10.07
z
0.10
xy
0.45
yz
-0.56
zx
0.57
f modifiziert)
ε
-4.83E-04
-5.62E-05
-1.07E-05
-4.29E-05
-4.92E-06
7.96E-05
photoelast. Konstante
pe
0.21
Elastische Konstanten
E [N/mm²]
21000
µ
0.22
Hauptnormalspannungen
σ [N/mm²]
1
0.75
2
-0.34
3
-10.13
Richtung von σ3
α, β, γ [°]
zur x -Achse
92.66
zur y -Achse
4.23
zur z -Achse
86.72
Hauptschubspannungen
τ [N/mm²]
I
4.89
II
5.44
III
0.54
Druckbelastung in x -Richtung mit 10 N/mm²
Meßwerte (Wert für Sensor
Sensor
∆λ [nm]
a
0.143
b
-0.364
c
-0.440
d
0.166
e
0.116
f
-0.160
Dehnungen
ε, γ
x
-4.82E-04
y
1.17E-04
z
1.42E-04
xy
-7.22E-05
yz
7.67E-05
zx
1.38E-04
Spannungen
σ, τ [N/mm²]
x
-9.80
y
0.51
z
0.93
xy
-0.62
yz
0.66
zx
1.19
f modifiziert)
ε
1.17E-04
-3.01E-04
-3.63E-04
1.37E-04
9.52E-05
-1.31E-04
photoelast. Konstante
pe
0.21
Elastische Konstanten
E [N/mm²]
21000
µ
0.22
Hauptnormalspannungen
σ [N/mm²]
1
1.45
2
0.17
3
-9.97
Richtung von σ3
α, β, γ [°]
zur x -Achse
172.54
zur y -Achse
93.77
zur z -Achse
83.57
Hauptschubspannungen
τ [N/mm²]
I
5.07
II
5.71
III
0.64
Instrumentation of a prestressed concrete bridge
FBG-sensor holder
Prestressed concrete bridge
Sensor location
Sensor appliance
Results of the strain monitoring at a
prestressed concrete bridge
0
before prestressing @23°C
-200
10 days after prestressing @10°C
Strain -400
[µm/m]
-600
after 3 months @1°C
-800
-1000
56 days after
prestressing @0°C
#1
#2
#3
#4
#5
#6
Number of the strain measurement
#7
Dehnung in µm/m
-200
-400
-600
3
4
5
25
Dehnung 1
20
Dehnung 2
Temperatur
15
10
-800
5
-1000
0
Temperatur in °C
0
2
Messung - Nr.
Kriechen + Temperatur
1
Vorspannen + Temperatur
Mit Faser-Bragg-Gittern ermittelte BetonDehnungen
Pilotobjekt - Fertigteilbrücke
Strain sensors for prestressed concrete bars
Application of a FBG sensor to a
stressed steel cable
steel form
protected sensor element
Cross-section of a high strength
concrete bar
concrete
steel cable
Pilotobjekt - Fertigteilbrücke
Arrangement of FBG sensors in a prefabricated
concrete bridge deck before casting
sensor appliance for
crack monitoring
sensor appliance for
strain measurement
concrete bars with
FBG-sensor
215
310
Long-term strain monitoring of a pedestrian bridge
high-strength concrete bars
mid-span section
concrete bar with integrated FBG strain sensor
vibrating wire gauge
fibre optical displacement sensor
fibre optical strain sensor
thermo-couple
Sensor locations
[mm]
Long-term strain monitoring of a pedestrian bridge
new bridge,
instrumented
with fibre
Bragg sensors
old bridge
Test loading of the „Rudisleben Bridge“
Strain measurement at the high-strength concrete
bars of the „Rudisleben Bridge“
0
1 After prestressing
2 Two weeks after demoulding
3 After prefabrication of the superstructure
4 First measurement at the completed bridge
Strain (µm/m)
-500
-1000
A1
-1500
A2
-2000
A3
A4
-2500
1
2
3
Load step
4
Pilotobjekt - Fertigteilbrücke
Ergebnisse Belastungstest mit 2 Fahrzeugen
20
Dehnung [µm/m]
15
10
5
Sensor 1
Sensor 2
Sensor 3
Sensor 4
0
-5
-10
Nullmessung Belastung mit
ohne
1 PKW
Belastung
Entlastung
Belastung mit
2 PKW
Entlastung