Distributed Strain Sensing in der Geotechnik · 2020. 5. 6. · 4 Bautechnik 95 (2018), Heft 5 (Sonderdruck) A. Kindler, S. Großwig: Distributed Strain Sensing in der Geotechnik

595. JahrgangMai 2018, S. 385 – 393ISSN 0932-8351A 1556

Sonderdruck

Distributed Strain Sensing in der GeotechnikDr.-Ing. Arne KindlerDr. rer. nat. Stephan Großwig

© Ernst & Sohn Verlag für Architektur und technische Wissenschaften GmbH & Co. KG, Berlin. Bautechnik 95 (2018), Heft 5, S. 385-393 3

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DOI: 10.1002 / bate.201800005

BERICHT

Mit dem vorliegenden Beitrag soll eine Empfehlung für den Ein-satz der ortsverteilten faseroptischen Dehnungsmessung (Dis-tributed Strain Sensing) in der Geotechnik gegeben werden. Hintergrund hierfür ist der vermehrte Einsatz dieses Messver-fahrens im Spezialtiefbau. Das Feld der ortsverteilten faseropti-schen Sensortechnik ist ein weitgefächertes Gebiet. So gibt es Messverfahren für dynamische (Zeitauflösung im kHz-Bereich) und nicht dynamische Messungen (Zeitauflösung im MHz-Be-reich bis stationär). Das in diesem Beitrag behandelte Messge-biet bezieht sich ausschließlich auf nicht dynamische Deh-nungsmessungen mittels Distributed Sensing. Der Beitrag um-fasst eine Kurzdarstellung/Gegenüberstellung zwischen Einzelpunktmessung und ortsverteilter Messung, dem „Distri-buted Sensing“. Darüber hinaus wird kurz das bisherige Ein-satzgebiet für das Distributed Strain Sensing dargestellt und mit ausgeführten Beispielen unterlegt. Die Autoren versuchen trotz einer Vielzahl eigener Arbeiten die Referenznachweise weit zu fassen. Im Weiteren werden die wesentlichen erforder-lichen faseroptischen Kabelkonstruktionen aufgezeigt und konstruktive Hinweise zur Montage gegeben. Abschließend werden Hinweise zum Mindestumfang eines Messberichts sowie zur Auswertung von „Distributed Strain Sensing“- Messungen gegeben.Es ist angedacht, in einem weiteren Beitrag Hinweise zur Aus-schreibung der „Distributed Strain Sensing“-Messungen in der Geotechnik zu geben, um dem ausschreibenden Ingenieur ein Arbeitsmittel an die Hand zu geben, damit der Planer im Ergeb-nis seiner Vergabe das gewünschte Messverfahren erhält.

Keywords Faseroptik; Dehnungsmessung, ortsverteilt; Geotechnik; Standard; Messtechnik; Pfähle; Anker; Messbericht; Qualitätssicherung

Arne Kindler, Stephan Großwig

Distributed Strain Sensing in der GeotechnikEmpfehlungen für ortsverteilte faseroptische Dehnungsmessungen in der Geotechnik

1 Allgemeines

Mit Beginn der 1990er-Jahre begannen faseroptische Sen-soren Einzug in die geophysikalische Messtechnik/geo-technische Überwachung zu halten. So wurden im Mai 1992 mithilfe der DTS-Technik (Distributed Temperature Sensing) [1, 2], welche den Raman-Effekt nutzt, erstmals weltweit faseroptische Temperaturmessungen in einer teilverfüllten Bohrung, der Bohrung Mittenwalde bei Ber-lin (Miwa 5), durchgeführt [3] und ab dem Jahr 1993 DTS-Geräte als Monitoringsysteme zur Überwachung der Dichtheit von Deponiebasis- und Oberflächenabdichtun-gen [4] und zur Überwachung der Flutung von Tagebau-restlöchern [5] eingesetzt.

Annähernd zur gleichen Zeit begannen die ersten Arbei-ten zur Anwendung faseroptischer Dehnungssensoren in der Geotechnik. Während zunächst hochauflösende OTDR-Systeme (Optical Time Domain Reflectometry) [6] zur ortsaufgelösten Dehnungsmessung auf kurzen Licht-wellenstrecken (< 100 m) mit Ortsauflösungen ≥ 1 mm eingesetzt wurden [7], dominieren seit der zweiten Hälfte der 1990er-Jahre faseroptische Einzelpunktsensoren auf Basis der FBG-Technologie (Fibre Bragg Grating) [8] oder auf Basis der Fabry-Perot-Interferometrie [9].

Auch wenn sich zum Monitoring von räumlich ausge-dehnteren Objekten mehrere FBG-Sensoren in Form einer Sensorkette „in Reihe schalten“ lassen, so sind diese

Distributed Strain Sensing in geotechnical – a first standard for fiber optic strain measurements in geotechnical engineeringThe aim of this paper is to provide a recommendation for the use of Distributed Strain Sensing in geotechnical engineering. The reason for this is the increased use of this measurement method in special civil engineering. The field of distributed fiber optic sensor technology is a broad field. There are measuring methods for dynamic (time resolution in the kHz range) and non-dynamic measurements (time resolution in the MHz range up to stationary). The measurement area dealt with in this paper refers exclusively to non-dynamic strain measurements by means of distributed sensing. The article contains a brief description/comparison between single point measurement and distributed sensing. In addition, the previous field of appli-cation for Distributed Strain Sensing is briefly described and illustrated with examples. Despite a large number of their own works, the authors try to keep the references as broad as pos-sible. In addition, the essential required fiber optic cable con-structions are described and constructive hints for assembly are given. Finally, information on the minimum scope of a measurement report and the evaluation of “Distributed Strain Sensing” measurements are given.In a further contribution, it is planned to provide information on the call for tenders for the “Distributed Strain Sensing” – for measurements in geotechnical engineering – in order to pro-vide the engineer who issued the tender with a tool to enable the planner to obtain the desired measuring method as a result of his contract award.

Keywords fibre optic; strain measurement; distributed sensing; geotechnical engineering; standard; measuring technology; pile; anchor; measurement report; quality assurance

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schritten. So gehören faseroptische Messungen in der Erdöl- und Erdgasindustrie, im Fahrzeugbau wie auch in der Luft- und Raumfahrt zum alltäglichen Gebrauch. Im Gegensatz dazu finden faseroptische Messungen im Bausektor nur an sehr ausgewählten Bauvorhaben und in den meisten Fällen ausschließlich unter wissenschaftli-cher Begleitung statt. Aus Sicht der Autoren und auf-grund der eigenen Erfahrungen ist diese Tatsache über-wiegend auf eine konservative Einstellung und die damit verbundene Zurückhaltung zurückzuführen.

Zum besseren Verständnis wird nachfolgend ein kurzer Überblick über die infrage kommenden Sensortechniken gegeben.

Generell ist zwischen faseroptischen Einzelpunktsenso-ren, quasiverteilten Sensoren und ortsaufgelöst messen-den faseroptischen Sensoren zu unterscheiden:– Mit Einzelpunktsensoren lässt sich die zu messende

physikalische oder chemische Messgröße exakt andem diskreten Messort erfassen, an dem sich der Sen-sor befindet. Das kann bei der Überwachung räumlichausgedehnter Objekte problematisch werden, wennnicht bereits im Vorfeld genau bekannt ist, an welcherPosition im Objekt sich die zu messende Größe signi-fikant verändern wird. Nicht exakt positionierte Ein-zelsensoren können zu Fehlmessungen bzw. Fehlin-terpretationen der Messergebnisse führen.

– Für die Anwendung in der Geotechnik und im Spezi-altiefbau sind folgende Einzelpunktsensortypen vonbesonderem Interesse:– EFPI technology (Extrinsic Fabry-Perot Interfero-

metry) [9]– FBG technology (Fibre Bragg Grating) [8]

– EFPI-Sensoren zeichnen sich durch eine sehr hoheMessempfindlichkeit aus. Der Vorzug von FBG-Sen-soren besteht dagegen darin, dass sie sowohl für stati-sche als auch für dynamische Strain-Messungen (bis500 Hz) geeignet sind.

– Quasiverteilte Sensoren entstehen durch die Vernet-zung von Einpunktsensoren zu einer Kette von Ein-punktsensoren in Reihenschaltung. Dadurch wird esmöglich, komplexere Strukturen besser zu überwa-chen. Allerdings begrenzt zum einen der mit der An-zahl der zu integrierenden Einpunktsensoren wach-sende Aufwand die Anzahl der Messstellen. Anderer-seits ist auch bei der Anwendung quasiverteilterSensoren die genaue Kenntnis der zu erwartendenPosition der messtechnisch zu erfassenden Ereignissezwingende Voraussetzung, da insbesondere beim Vor-liegen starker Gradienten eine zu geringe Anzahl vonSensorelementen dazu führen kann, dass lokale Ereig-nisse nicht detektiert werden.

– Eine hinreichend sichere Überwachung räumlich aus-gedehnter Objekte ist nur mit der ortsaufgelöst mes-senden faseroptischen Sensortechnik (Distributed Sen-sing) möglich, da mit dieser Technik die zu messendephysikalische Größe entlang des gesamten Lichtwel-lenleiters über eine Länge von mehreren km mit einerOrtsgenauigkeit bis in den 10-cm-Bereich erfasst wer-

Sensorketten jedoch durch eine max. Anzahl von Mess-stellen begrenzt.

Stand zunächst bei der Anwendung dieser Sensoren der Forschungsaspekt im Vordergrund, so hat sich im letzten Jahrzehnt der Schwerpunkt der Arbeiten in Richtung der Entwicklung feldtauglicher FBG-Systeme verschoben. Allerdings gestatten die FBG-Sensorketten nur quasiorts-aufgelöste Dehnungsmessungen.

Ortsaufgelöste Dehnungsmessungen über größere Entfer-nungen sind nur mit der DSTS-Technik (Distributed Strain and Temperature Sensing) möglich, die den Brill-ouin-Effekt nutzt [10]. Die Anwendung dieser Messtech-nologie in der Geotechnik wurde in den letzten Jahren durch das Cambridge Centre for Smart Infrastructure & Construction [11] wissenschaftlich untersucht. In den meisten Fällen stand jedoch, wie bereits erwähnt, der For-schungsaspekt im Mittelpunkt der Arbeiten. Verbunden damit erfolgt der Feldeinsatz in den meisten Fällen unter laborähnlichen Bedingungen.

Demgegenüber stehen die eigenen Arbeiten der letzten Jahre. Sie zielten auf die Etablierung des „Distributed Sensing“ im Bereich der Geotechnik unter Baustellenbe-dingungen ab. Im Rahmen einer intensiven Entwicklung und Arbeit mit ortsverteilten faseroptischen Dehnungs-messungen in der Geotechnik wurden insbesondere in den letzten drei Jahren diverse eigene Versuche durchge-führt, ausgewertet und publiziert [12–16]. Zwangsläufig verbunden waren damit Rückschläge und neue Denkwei-sen zum Einsatz des „Distributed Strain Sensing“. Diese Erfahrungen, wie auch die gewünschte Unterstützung von nationalen und internationalen Ingenieurbüros bei der Erarbeitung von Ausschreibungen, veranlasste die Autoren, die Ergebnisse dieser Erfahrungen allgemeingül-tig zusammenzufassen und als eine erste „Empfehlung“ des „Distributed Sensing“ in der Geotechnik der Fach-welt zugänglich zu machen.

Gleichfalls wurde im DIN-Ausschuss NA 005-05-17 AA „Verpressanker“ ein Entwurf zur DIN 4107-5 „Geotech-nische Messungen – Teil 5: Kraftmessungen in geotechni-schen Bauwerksteilen“ diskutiert und eine Gesamtkom-mentartabelle mit wichtigen Punkten aus Sicht des Aus-schusses NA 005-05-17 übergeben. Ein Punkt umfasste u. a. die generelle Aufnahme der möglichen faseropti-schen Messungen im letzten Entwurf. In der Einspruchs-sitzung, zu welcher der Autor 1 als Vertreter des NA005-05-17 AA geladen war, zeigte sich, dass es auch imAusschuss zur DIN 4107-5 eine große Unsicherheit imUmgang mit faseroptischen Messungen gibt, was eben-falls dazu beigetragen hat, diesen Bericht zu verfassen.

2 Faseroptische Einzelpunktmessung versus Distributed Sensing

In den letzten 25 Jahren ist die Anwendung der faseropti-schen Sensorik in den technischen Bereichen weit fortge-

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– Steifen N.N.– Schlitzwänden [24]– weiteren Verformungsmessungen [13, 25]

3 Faseroptische Sensorkabel

Alle marktüblichen Glasfaser-Lichtwellenleiter haben den gleichen prinzipiellen Aufbau. Sie bestehen aus dem Kern (Core) und dem umhüllenden Mantel (Cladding) aus hochreinem Quarzglas und einer äußeren, bereits beim Herstellungsprozess der Glasfaser aufgetragenen Beschichtung, dem sogenannten Primärcoating. Sie un-terscheiden sich nur durch die Durchmesser ihrer Glasfa-serkerne, die in Abhängigkeit von der Geometrie einen unterschiedlichen Transport des Lichts durch die Glasfa-ser bewirken. Singlemode-Glasfasern haben i. d. R. einen Kerndurchmesser von 9 µm und einen Manteldurchmes-ser von 125 µm, während Standardmultimode-Glasfasern 50/125 µm bzw. 62,5/125 µm aufweisen.

Für die faseroptische Strain-Messung werden ausschließ-lich Singlemode-Glasfasern eingesetzt. Die faseroptische Temperaturmessung kann, je nach Messgeräteauswahl, sowohl mit Singlemode- als auch mit Multimode-Glasfa-sern erfolgen, vorzugsweise mit Letzteren. Verteilte fa-seroptische Noise-Messungen erfolgen vorzugsweise mit-hilfe von Singlemode-Glasfasern – unter speziellen Bedin-gungen ist auch die Nutzung von Multimode-Glasfasern möglich [26].

Die ungeschützte Glaserfaser ist nur unter Laborbedin-gungen einsetzbar. Für den Einsatz in der Praxis unter Feldbedingungen muss die Glasfaser unbedingt in eine Kabelkonstruktion integriert werden, um eine entspre-chende Lebensdauer zu garantieren. Die faseroptischen Sensorkabel unterscheiden sich in ihrem Kabelaufbau. Dieser ist davon abhängig,– welche Messgröße (Strain oder Temperatur) zu erfas-

sen ist und– in welcher Umgebung (innen, außen, erdverlegt, im

Beton, unter Wasser, korrosiv, strahlungsbelastet etc.)das Sensorkabel zum Einsatz kommt.

Allen faseroptischen Sensorkabeln gleich ist folgender grundsätzlicher Aufbau:– ein oder mehrere Lichtwellenleiter (LWL), die vor

Verschmutzung, Feuchtigkeit, mechanischen Beschä-digungen und chemischen Umgebungseinflüssen ge-schützt werden durch ihre Lage und Einbettung in

– unterschiedliche Kunststoff- oder metallische Schich-ten,

– Aramidfasern, Glasgarne oder Metallarmierungen alsZugentlastungselemente sowie

– einen Kabelmantel als äußeren Abschluss, meistensmit Aufdruck von m-Marken und weiteren Kabelinfor-mationen.

An Sensorkabelkonstruktionen, die für die faseroptische Strain-Messung eingesetzt werden sollen, ist zusätzlich zu

den kann. Alle ortsaufgelöst messenden faseroptischen Messverfahren sind Laserradarverfahren, die die Deh-nungs- und Temperaturabhängigkeit bestimmter opti-scher Eigenschaften von Lichtwellenleitern zur Mes-sung von Dehnung, Temperatur und Vibration/Schall entlang eines Lichtwellenleiters nutzen.

– Je nach Art des genutzten Sensoreffekts könnengrundsätzlich vier Messverfahren unterschieden wer-den:– OBR technology (Optical Backscatter Rayleigh

Reflectometry) [6]– Nutzung der Rayleigh-Streuung zur hochpräzi-

sen Messung der Dehnung entlang der Glasfa-ser mit Ortsauflösungen von bis zu 1 mm beiMessstrecken < 100 m

– DSTS technology (Distributed Strain and Tempe-rature Sensing) [10]– Nutzung der Brillouin-Streuung zur Messung

der Dehnung entlang der Glasfaser mit Ortsauf-lösungen von bis zu 20 cm bei Messstrecken< 30 km (Anmerkung: Bedingt durch den physi-kalischen Charakter der Brillouin-Streuungkann nicht ohne Weiteres zwischen mecha-nisch und thermisch induzierten Dehnungenunterschieden werden.)

– DTS technology (Distributed Temperature Sen-sing) [3]– Nutzung der Raman-Streuung zur Messung der

Temperatur entlang der Glasfaser mit Ortsauf-lösungen von bis zu 12,5 cm bei Messstrecken< 12 km

– DAS technology (Distributed Acoustic Sensing) [17]– Nutzung der Rayleigh-Streuung mittels Cohe-

rent Optical Time Domain Reflectometry zurMessung der Geräusche entlang der Glasfasermit Ortsauflösungen von bis zu 1 m bei Mess-strecken < 50 km

Für den Einsatz in der Geotechnik und im Spezialtiefbau sind die OBR-, DSTS- und DTS-Technologie von beson-derem Interesse.

Der „Vorteil“ der verteilt messenden Sensorik gegenüber den Einzelpunktsensoren liegt auf der Hand. Um z. B. Dehnungen mit einer sehr hohen Ortsauflösung rentabel und praktikabel messen zu können, reicht, wie schon be-schrieben, eine Aneinanderreihung vieler einzelner Sen-soren (Einzelpunktmessungen) in Form von Sensorketten nicht aus. In diesem Fall ist der Einsatz einer verteilten Sensorik erforderlich, welche es ermöglicht, zeitgleich die Messung entlang großer Strecken, in einer Fläche oder einem Raum mit hoher Orts- und Messwertauflösung durchzuführen.

Als wesentliche Beispiele für den Einsatz des Distributed Strain Sensing in der Geotechnik zählen Dehnungsmes-sungen bei: – Großbohrpfählen, Mikropfählen [12, 15, 18–21]– Ankern, Bodennägeln [12, 14, 22, 23]– Integritätsprüfung an Pfählen und Ankern [21]

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Diese Kabel haben Durchmesser/Abmessungen von 1,2–13 mm. Die Zugfestigkeit beträgt zwischen 10 und 600 N. Die min. Biegeradien liegen, je nach Durchmesser, zwischen 80 und 150 mm. Um beim Einbetonieren der Kabel eine gute kraftschlüssige Anbindung des Kabels an den Beton zu sichern, gibt es auch Kabelmäntel mit strukturierten Oberflächen (Bild 1 mittlere Reihe, Bild 2).

Da das DSTS-Messverfahren bedingt durch den physika-lischen Charakter der Brillouin-Streuung bei der Messung nicht ohne Weiteres zwischen mechanisch und thermisch induzierten Dehnungen unterscheiden kann, wird i. d. R. ein zusätzliches faseroptisches Temperatursensorkabel für die Temperaturkompensation mitverlegt.

den bereits oben genannten Anforderungen die möglichst verlustfreie Übertragung des Strains vom Messobjekt bzw. dem umgebenden Bettungsmaterial auf die Glasfa-ser als Sensor sicherzustellen. Diese Anforderung wird durch die am Markt verfügbaren Standard-Telekommuni-kationskabelkonstruktionen nicht erfüllt, da diese Kabel-konstruktionen so ausgelegt sind, dass die Glaserfaser von der Umgebung mechanisch möglichst vollständig entkoppelt ist. Deshalb sind für eine möglichst vollständi-ge mechanische Ankopplung der Glasfaser an die Umge-bung spezielle Kabelkonstruktionen notwendig.

Um den auf das Glasfaserkabel einwirkenden Strain mög-lichst verlustfrei vom Messobjekt auf die Glasfaser zu übertragen, werden die Singlemode-Glasfasern in mehre-re miteinander verbundene Schichten kraftschlüssig ein-gebettet. Wegen dieses besonderen Aufbaus haben Strain-Sensorkabel immer nur eine zentrale Glasfaser. Für den Einsatz in der Geotechnik haben sich die in Bild 1 darge-stellten speziellen Konstruktionen für Strain-sensitive Sensorkabel bewährt.

Bild 1 Mögliche Spezialkabelkonstruktionen, die für den Einsatz zur faser-optischen Strain-Messung geeignet sindDiverse cable designs suitable for fibre optic strain measurements

Bild 2 Ansicht eines faseroptischen Strain-Messkabels mit strukturierter Oberfläche (entspricht dem Kabeltyp aus Bild 1 rechts unten)Fiber optic cable for strain measurements with structured surface (corresponds to the type of cable shown in the bottom right corner of the fig. 1)

Bild 3 Typische Standard-Telekommunikationskabelkonstruktionen, die für den Einsatz zur faseroptischen Temperaturmessung geeignet sind – links: vier Kompaktadern mit je einer Multimode-Glasfaser, Aramid-fasern als Zugentlastung, Glasgarne für Nagetierschutz und Längs-wasserdichtheit, Kabelmantel; Mitte: eine Kunststoffbündelader mit max. zwölf Glasfasern, Glasgarne für Zugentlastung, Nagetierschutz und Längswasserdichtheit, Kabelmantel; rechts: vier Bündeladern mit je max. zwölf Glasfasern, Glasgarne für Zugentlastung, Nagetier-schutz und Längswasserdichtheit, Kabelmantel Standard telecommunication cable designs suitable for fiber optic temperature measurements – left: four compact cores each one with multimode glass fibre, aramid fibres as a traction relief, glass yarns for rodent protection and waterproofness, cable jacket; cen-tre: one plastic core with max. twelve glass fibres, glass yarns as a traction relief, rodent protection and for waterproofness, cable jack-et; right: four cores with max. twelve glass fibres each core, glass yarns as a traction relief, rodent protection and for waterproofness, cable jacket

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Bild 4 Spezielle Kabelkonstruktion für den stationären Einbau als faser-optischer Temperatursensor in geotechnische ObjekteCable construction for stationary installation as a fiber optic temperature sensor in geotechnical structures

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diese auch wie Sensoren behandelt werden sollten. Das bedeutet, dass die Kabel durch geeignete Maßnahmen während der Anlieferung, Lagerung, Montage und Nut-zung vor jeglichen äußeren schädigenden Beeinflussun-gen zu schützen sind. Dazu gehören mechanische Beein-flussungen wie Überfahren, Drauftreten, Verdrehen oder Überdehnen. Die im Kabeldatenblatt festgelegten Min-destbiegeradien dürfen nicht unterschritten werden. Ebenfalls im Kabeldatenblatt zu finden ist der, insbeson-dere für die Verlegung wichtige, zulässige Temperaturbe-reich. Wie andere Kabel auch, sollten Sensorkabel, wenn sie nicht ausdrücklich UV-stabilisiert sind, nicht längere Zeit offener Sonneneinstrahlung ausgesetzt werden. Be-sonderer Schutz ist an den Kabelenden erforderlich. Wenn bereits werkseitig faseroptische Stecker angebracht wurden, gibt es an jedem Ende einen Schutzschlauch wie in den Bildern 6a, 6b, der bei der Verlegung nicht entfernt oder beschädigt werden darf. Erfolgt die Besteckerung erst nach dem Verlegen auf der Baustelle, müssen zu-nächst die Kabelenden vor Schmutz und Feuchtigkeit ge-schützt werden. Bei der Besteckerung werden dann wie-der Schutzschläuche angebracht, und es gelten die glei-chen Vorsichtsmaßnahmen wie bei der werkseitigen Konfektionierung.

Die Anforderungen an Sensorkabel für die faseroptische Temperaturmessung sind nicht so hoch wie die an die Sensorkabel für die faseroptische Strain-Messung. Sie entsprechen in den meisten Fällen denen an die Telekom-munikationskabel, sodass oft Standard-Telekommunikati-onskabel als Sensoren eingesetzt werden können. Bild 3 zeigt die typischen Aufbauten für solche Kabel.

Diese Kabel haben einen Außendurchmesser von 6–12 mm und können Zugkräfte von 2–2,5 kN aufnehmen. Die min. Biegeradien liegen, je nach Durchmesser, zwischen 90 und 190 mm.

Für den stationären Einbau als faseroptischer Tempera-tursensor in geotechnische Objekte hat sich die in Bild 4 dargestellte spezielle Kabelkonstruktion bewährt.

Dieses Kabel hat einen Durchmesser von nur 3,8 mm und eine Zugfestigkeit von 600 N. Der min. Biegeradius be-trägt 80 mm.

Neben den Einzelkabeln zur Temperatur- und Dehnungs-messung gibt es auch sogenannte Hybridkabel zur simul-tanen Strain- und Temperaturmessung (Bild 5). Hier wird neben dem fest verbundenen Dehnungsmesskabel in einem zweiten Kabelstrang ein Temperaturmesskabel spannungsfrei mitgeführt. Derartige Anbieter finden sich vor allem im asiatischen Raum.

Der Trend geht aber zur Nutzung sogenannter Dual Core Fibres (Glasfasern mit zwei Kernen), die die gleichzeitige Messung von Strain und Temperatur mit einer Glasfaser gestatten [26]. Derartige Glasfasern wurden z. B. von der Corning Research and Development Corporation entwi-ckelt und befinden sich derzeit in der Erprobung. Man kann davon ausgehen, dass Kabel mit derartigen Glasfa-sern in den nächsten Jahren am Markt verfügbar sein werden.

4 Konstruktive Hinweise zur Montage faseroptischer Sensorkabel

Allgemein gilt, dass es sich bei den faseroptischen Sensor-kabeln um Sensoren im klassischen Sinne handelt und

Bild 5 Konstruktiver Aufbau von Hybridkabeln zur simultanen Strain- und TemperaturmessungStructures of hybrid cables for simultaneous strain and temperature measurements

Bild 6 Schutzschläuche zur Sicherung der Konfektionierung der Glasfaser-kabelProtective tubes for securing of the assembly of fibre optic cables – 6a: sensor cable end with protective plug; 6b: sensor cable end with protective tube IP 67

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Sensorkabel für Strain-Messungen sind grundsätzlich kraftschlüssig mit dem zu messenden Objekt zu verbin-den, was in der Geotechnik in den meisten Fällen durch Einbetten in Beton oder durch geeignete Befestigung an Stahlbewehrungen (Bilder 7a–d) realisiert wird. Um auch eventuell auftretende Stauchungen zu erfassen, sollte dies, unter Berücksichtigung der Zugfestigkeit des jeweiligen Sensorkabels, mit einer leichten Vorspannung erfolgen.

Bei der Montage verwendete Hilfskonstruktionen und Klebstoffe müssen ähnliche Dehnungseigenschaften auf-

Aufgrund der damit verbundenen herabgesetzten Quali-tätssicherung ist es vorzuziehen, die Messkabel werkseitig zu konfektionieren.

Bild 7 Montagevarianten der Sensorkabel an den MessobjektenAssembly variants of the sensor cables on variety of test structures – 7a: assembly in a grout body of an anchor; 7b: assembly on reinforcement cage; 7c: stabilization of the measuring cable for transverse strain measurement in a grout body; 7d: assembly on a tube for deformation measurements

Bild 8 Ausbildung eines Loops im Bewehrungskorb (liegend)Formation of a loop in the reinforcement cage (recumbent)

Bild 9 Darstellung der Sensorkabelführung am PfahlfußRecommendation for sensor cable guidance on the pile toe – 9a: in-situ installation; 9b: schematic drawing

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Zur Erfassung des Spitzendrucks bei pfahlartigen Trag-konstruktionen wird empfohlen, das Sensorkabel in meh-reren Schleifen am Fußpunkt (Bild 9b) umzulenken.

Zur Eigenüberwachung wie auch zur Qualitätssicherung ist nach jedem Prozessschritt das Sensorkabel messtech-nisch (ODTR, Bild 10) zu prüfen und das Ergebnis zu dokumentieren.

Als Prozessschritte gelten folgende Abläufe:– Anlieferung auf der Baustelle– Montage am Bauwerk/Bewehrungskorb vor dem Ein-

bau– nach der Betonage

Dadurch kann weitestgehend sichergestellt werden, dass kein vorgeschädigtes Sensorkabel montiert wird.

5 Qualitätssichernder Messbericht

Im Rahmen der Messung und der Auswertung der Mess-ergebnisse sind zur Gewährleistung eines Mindeststan-dards die Ergebnisse in einem Messbericht zusammenzu-fassen. Neben den allgemeinen Grundsätzen zu Inhalt und Umfang eines Messberichts sind vor allem folgende Punkte zu berücksichtigen:– Beschreibung des eingesetzten Messverfahrens– Daten/Datenblatt zum verwendeten Sensorkabel– Beschreibung der montierten Sensorkabel inkl. der

Prüfzeugnisse zum Nachweis der Dämpfungsparame-ter bezogen auf die Wellenlängen aufgrund durchge-führter Spleißarbeiten im Werk bzw. im Feld

weisen wie das Messobjekt. Nur so lassen sich ein zuver-lässiger Verbund auch unter Belastung und eine mög-lichst verlustfreie Übertragung von Dehnungen oder Stauchungen vom Messobjekt auf das Sensorkabel sicher-stellen.

Sensorkabel für die Temperaturmessung sind grundsätz-lich spannungsfrei zu verlegen und es muss für einen guten thermischen Kontakt zwischen Messobjekt und Sensor gesorgt werden.

Sensorkabel sollten zu Erhöhung der Aussagekraft der Messung bei Massenbauteilen als Loop oder in mehreren Loops (eine oder mehrere Kabelschleifen, Bild 8) mon-tiert werden.

Bild 10 Messergebnis einer Prüfung mittels ODTR an einem Single-Mode-CableTest result of a measurement using ODTR measuring device on a single-mode cable

Bild 11 Gegenüberstellung der gemessenen Frequenz und 1-Sigma-StreuungComparison of measured frequency and 1-sigma scattering

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– Darstellung des errechneten Kraft- bzw. Temperatur-verlaufs bezogen auf die Bauwerkslänge inkl. der An-gaben zur Mittelwertbildung aus den einzelnen Mess-strängen

– zusammenfassende Stellungnahme zum Messergebnis

Die oben genannten Punkte sind aus Sicht der Autoren zwingend erforderlich, um für einen Dritten eine Prüfung auf Plausibilität durchführen zu können. Es ist aus Sicht der Autoren ebenfalls sinnvoll, in Anlehnung an die Emp-fehlungen des Arbeitskreises „Pfähle“ [27] zur dynami-schen Pfahlprüfung (Kapitel 10.8, Absatz 8) eine Speiche-rung der Rohdaten (Frequenzen) vorzusehen, um die Er-gebnisse bei Unstimmigkeiten durch einen weiteren Gutachter begutachten zu lassen.

– Belastungsprogramm mit Zuordnung der entsprechen-den Dehnungsshift

– Zuordnung der Kabelgesamtlänge auf die wesentli-chen Kabelabschnitte im Bauteil

– Darstellung und Auswertung der gemessenen Fre-quenz und 1-Sigma-Streuung der Frequenz als Prüf-zeugnis der Qualität der Messungen und des Messka-bels (Bild 11)

– Angabe des Umrechnungsfaktors der Frequenzshift zuDehnungen

– Angaben zum thermischen Gleichgewicht bzw. Dar-stellung der Temperaturverläufe zum jeweiligen Mess-zeitpunkt

– Darstellung der Strain-/Temperatur-Änderung bezo-gen auf den Ausgangszustand über alle Belastungszu-stände ggf. unter Berücksichtigung der Temperatur-kompensation

Literatur

[1] Bojarski, A. A. (1993) Distributed fiber optic temperaturesensing in: Ansari, F. [ed.] Applications of fiber optic sen-sors in engineering mechanics. Reston, Virginia: AmericanSociety of Civil Engineers, pp. 210–224.

[2] Hartog, A.; Gamble, G. (1991) Photonic distributed Sen-sing in: Physics World 3, pp. 45–49.

[3] Hurtig, E.; Schrötter, J.; Grosswig, S.; Kühn, K.; Har-jes, B.; Wieferig, W.; Orell, R. P. (1993) Borehole Tempe-rature Measurements Using Distributed Fibre Optic Sensingin: Scientific Drilling 3, No. 6, pp. 283–286.

[4] Hurtig, E.; Grosswig, S.; Kühn, K. (1995) Monitoringlandfill bases and landfill base sealing with fibre-optic tem-perature measurements in: 3rd Working Conference of theBMBF Collaborative Research Project „Further develop-ment of landfill sealing systems“, Conference Proceedings.Berlin: BAM Federal Institute for Materials Research andTesting. pp. 341–350.

[5] Schreck, M.; Nishigaki, M.; Christoph, G.; Glaeser, H.;Grosswig, S.; Hurtig, E.; Kasch, M.; Kühn, K. (1998)Determination of Heat Production Zones at an Open – CastMine in: Journal of Environmental Engineering of the Ame-rican Society of Civil Engineers 124, No. 7, pp. 646–651.

[6] Samiec, D. (2011) Verteilte faseroptische Temperatur- undDehnungsmessung mit sehr hoher Ortsauflösung in: Photo-nik 6, H. 4, S. 34–37.

[7] Dietz, K.; Habel, W.; Feddersen, I. (2001) Eder Dam, sta-bilisation by permanent rock anchors-monitoring and longterm performance in: ICOLD – 69th Annual Meeting. Dres-den: DTK. pp. 1–7.

[8] Voet, M. R.-H.; Glötzl, F. (1996) Glas-fibre sensor techno-logy and results of innovative activities in geotechnics.Specialized seminar on „Measurements in Geotechnics“.Braunschweig: Institute of Ground Engineering and SoilMechanics, Technical University of Braunschweig.

[9] Habel, W. (2003) Faseroptische Sensoren für hochaufgelös-te Verformungsmessungen in der Zementsteinmatrix. For-schungsbericht Nr. 246 – Bundesanstalt für Materialfor-schung und -prüfung (BAM). Berlin: Wirtschaftsverlag NW.ISBN: 978-3-89701-567-8

[10] Nöther, N. (2010) Distributed Fibre Sensors in River Em-bankments: Advancing and Implementing the Brillouin

Optical Frequency Domain Analysis. BAM-Dissertationsrei-he, Bd. 64. Berlin: BAM.

[11] Kechavarzi, C.; Soga, K.; de Battista, N.; Pelecanos, L.;Elshafie, M.; Mair, R. (2016) Distributed Fibre OpticStrain Sensing for Monitoring Civil Infrastructure. London:ICE Publishing. ISBN: 978-0-72776-055-5

[12] Kindler, A.; Nycz; K.; Grosswig, S.; Schaller, M.-B.(2017) Distributed Fibre Optic Sensing Technology in theExtreme Areas of Civil Engineering in: 8th InternationalConference on Structural Health Monitoring of IntelligentInfrastructure, Proceedings „Structural Health Monitoringfor Infrastructure Sustainability“. Brisbane, Australia:Queensland University of Technology.

[13] Kindler, A.; Schaller, M.-B.; Glötzl, J.; Brentle, J.; Lich,A. (2016) Nachweis der Ankertragfähigkeit am Beispieleines innovativen Ankermonitorings in: 12. Hans LorenzSymposium, Tagungsband Nr. 2. Berlin: Technische Univer-sität Berlin. S. 144–151.

[14] Kindler, A.; Schaller, M.-B.; Glötzl, J. (2017) Nachweisder Ankertragfähigkeit auf Grundlage der faseroptischenMesstechnik in: Bautechnik 94, H. 2, S. 144–151.

[15] Kindler, A.; Schaller, M.-B.; Glötzl, J.; Grosswig, S.(2017) Static Pile Load Test using Fibre-optic Strain Mea-surements with a Very High Local Resolution in: Pile Foun-dation Symposium. Braunschweig: TU Braunschweig.

[16] Schaller, M.-B.; Grosswig, S.; Pfeiffer, T. (2016)Measuring systems and monitoring with regard to Industry4.0 in: Brückenbau – Construction & Engineering 8, No. 3,pp. 64–71. ISSN 1867-643X

[17] Rohwetter, P.; Eisermann, R.; Grosswig, S.; Krebber, K.(2016) Fibre-optic distributed acoustic and vibration sen-sing for monitoring of industrial plants and installations in:Mair, R. J.; Soga, K.; Jin, Y.; Parlikad, A. L.; Schooling, J.M. [eds.] Transforming the Future of Infrastructure throughSmarter Information – Proceedings of the ICSIC Internatio-nal Conference on Smart Infrastructure and Construction,Cambridge, 2016. Cambridge: ICE Publishing. ISBN 978-0-727761-27-9

[18] Bell, A.; Soga, K.; Ouyang, Y.; Yan, J.; Wang, F. (2013)The role of fibre optic instrumentation in the re-use of deepfoundations in: Proceedings of the 18th International Con-

00_BATE_0518_Buch.indb 392 25.04.18 15:11



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T REPORT

[25] Constantinou, A.; Hartog, A.; Dickenson, P.; Lees, G.(2017) The Merits of DAS Acquisition on Multimode Opti-cal Fiber in: 4th EAGE Workshop on Borehole Geophysics.Proceedings – Paper BGP11, Abu Dhabi/UAE, 19.–22. Nov.2017.

[26] Li, M-J.; Stone, J.S.; Li, S.; Zaghloul, M.A.S.; Wang, M.;Chen, K.; Millione, G.; Huang, Y.-K.; Wang, T. (2017)Dual Core Fibers for Simultaneously Measuring Tempera-ture and Strain in Distributed Brillouin Sensors in: 5thWorkshop on Specialty Optical Fibers and their Appli-cations WSOF-2017 – Paper No. 100, Limassol/Cyprus,11.–13. Okt. 2017.

[27] Deutsche Gesellschaft für Geotechnik [Hrsg.] (2012) Empfehlungen des Arbeitskreises „Pfähle“. Essen: DGGT.

AutorenDr.-Ing. Arne KindlerStump Spezialtiefbau GmbHValeska-Gert-Straße 110243 [email protected]

Dr. rer. nat. Stephan GroßwigGESO Gesellschaft für Sensorik, geotechnischen Umweltschutz und mathematische Modellierung mbH & Co. Projekt KGLöbstedter Straße 5007749 [email protected]

ference on Soil Mechanics and Geotechnical Engineering, Paris, France, 2.–6. Sept. 2013. Paris: CFMS. pp. 1863–1867.

[19] Bourne-Webb, P. J.; Amatya, B. L.; Soga K. et al. (2009)Energy pile test at Lambeth College, London: geotechnicaland thermodynamic aspects of pile response to heat cyclesin: Geotechnique 59, No. 3, pp. 237–248.

[20] Kindler, A.; Glötzl, J.; Grosswig, S. (2017) Erste Er-kenntnisse zur dynamischen Pfahlprobebelastung an einemFRANKI-Pfahl NG® unter Verwendung faseroptischer Sen-sorketten in: 13. Hans Lorenz Symposium, TagungsbandNr. 3. Berlin: Technische Universität Berlin. S. 95–112.

[21] Amatya, B. L.; Soga, K.; Bennett, P. J. et al. (2008) Instal-lation of optical fibre strain sensors on soil nails used forstabilising steep highway cut slope in: Ellis, E. [ed.] Procee-dings of 1st ISSMGE International Conference on Trans-portation Geotechnics 2008, Nottingham, UK. Leiden: CRCPress/Balkema. pp. 276–282.

[22] Kindler, A.; Nycz, K.; Grosswig, S. (2017) Proof of bea-ring capacity of anchors on the example of innovative an-chor monitoring system in: Deep Foundation Technologiesfor Infrastructure Development in India 2017. MadrasChennai, India: Indian Institute of Technology. pp. 137–146.

[23] Schwamb, T.; Soga, K.; Mair, R. et al. (2014) Fibre opticmonitoring of a deep circular excavation in: Proceedings ofthe Institution of Civil Engineers – Geotechnical Enginee-ring 167, No. 2, pp. 144–154.

[24] Phear, A.; Dew, C.; Ozsoy, B. et al. (2005) CIRA ReportC637: Best Practice Guidance. London: CIRA.

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Sicher bauen, auf jedem Fundament.

Als eines der traditionsreichsten Spezialtiefbauunternehmen Deutsch-lands realisieren wir mit innovativen Lösungen anspruchsvolle Infra-strukturprojekte. Wir bieten maßgeschneidertes Knowhow im Wirt-schaftsbau und sanieren und erhalten historische Bauwerke. Unser Erfolg basiert auf mehr als 50 Jahren Erfahrung und der langjährigen Verbundenheit unserer Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter. stump.de

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Distributed Strain Sensing in der Geotechnik · 2020. 5. 6. · 4 Bautechnik 95 (2018), Heft 5 (Sonderdruck) A. Kindler, S. Großwig: Distributed Strain Sensing in der Geotechnik