Verbesserte Dehnungsmessung im Betonbau durch verteilte faseroptische Sensorik

Die verteilte faseroptische Sensorik (VFOS) auf Basis von Rayleighstreuung stellt ein besonderes und vielversprechendes Verfahren zur Dehnungsmessung im Betonbau und im Structural Health Monitoring (SHM) dar. Neben einer hohen Ortsauflösung und Messempfindlichkeit kann sie geringste Dehnungsänderungen an jedem Punkt der Messfaser erfassen. Für einen zuverlässigen Einsatz fehlen aktuell Material- und Handlungsempfehlungen; in der Literatur finden sich widersprüchliche Aussagen zu den Dehnungsübertragungsverlusten zwischen Substrat und Messfaser. Diesbezüglich beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Validierung des Messverfahrens für Szenarien im Betonbau. Neben der Applikation auf Stahl- und Betonoberflächen wurde die Integration in der Matrix untersucht. Im Zuge dessen sollten die Dehnungsübertragungsverluste verschiedener Fasercoatings bzw. Fasercoating-Klebstoff-Kombinationen überprüft werden. Darüber hinaus wurde ein Auswerteverfahren mithilfe der Programmiersprache Python entwickelt, das eine automatisierte Datenaufbereitung und Substituierung der Messabweichungen der enormen Datenmengen ermöglicht. Im Zuge der Validierung auf der Stahloberfläche wurden die Dehnungswerte der verschiedenen Coating-Klebstoff-Kombinationen an Präzisionsflachstählen im 4-Punkt-Biegeversuch mit einer photogrammetrischen Dehnungsmessung verglichen. Im Rahmen der Validierung auf der Betonoberfläche kamen Betondruckzylinder zum Einsatz, an denen zusätzlich zu den Coating-Klebstoff-Kombinationen der Einfluss einer Grundierung untersucht wurde. Induktive Wegaufnehmer dienten im Verlauf der Druckversuche als Vergleichsmesstechnik. Die Validierung verschiedener Coatingmaterialien in der Matrix fand anhand von Schwindversuchen an Betonprismen statt; als Vergleichsmessmethode dienten digitale Messuhren. Zur Bewertung der aus den Validierungsversuchen abgeleiteten Material- und Handlungsempfehlungen wurden Bauteilversuche an Betonbalken durchgeführt. Die Auswertung der Validierungsversuche zeigte, dass vor allem mit einem Ormocer-Coating gute Ergebnisse hinsichtlich der Dehnungsübertragung erzielt werden konnten. Im Falle einer Applikation empfiehlt sich die Verwendung eines Cyanacrylatklebstoffs -- besonders der M-Bond 200 überzeugte durch geringe Dehnungsverluste. Betonoberflächen sollten vorher geschliffen und mit Epoxidharz grundiert werden. Im Falle einer Integration in die Betonmatrix zeigten auch die Ormocer-Fasern minimale Unterschiede zur Vergleichsmessung. Die Ergebnisse der Bauteilversuche verifizieren die Handlungs- und Materialempfehlungen: Die Dehnungswerte der Fasern decken sich mit denen der analytischen Bemessung der Betonbalken. Lediglich an den Lasteinleitungsstellen konnten Oszillationen des Dehnungsverlaufs durch Gefügestörungen festgestellt werden. Forschungsbedarf besteht v.a. hinsichtlich der Validierung weiterer Komponenten (Klebstoff, Coating, Grundierungsmittel) und deren Langzeitstabilität, insbesondere bei chemischen und dynamischen Beanspruchungen. Im Rahmen dieser Arbeit konnte ein Überblick über verschiedene Materialien geschaffen werden, jedoch ist das Repertoire an verfügbaren Komponenten immens, gerade bei den Klebstoffen. Bei der Validierung auf der Betonoberfläche und in der Matrix kam eine Feinkornbetonmischung zum Einsatz. Diesbezüglich sollten in weiteren Forschungen unterschiedliche Matrices und Korngrößen Untersuchungsgegenstand sein.

Level thesis:degree_level

thesis.doctoral

Grantor dc:publisher

TU Bergakademie Freiberg

Year

2020

Author dc:creator

• Weisbrich, Martin

Contributors dc:contributor

• Bier, Thomas A.
• Holschemacher, Klaus

• Structural Health Monitoring
• verteilte faseroptische Dehnungsmessung
• Validierung
• distributed optical strain measurement
• validation