Ein Teil der Brücken in Deutschland ist mittlerweile in die Jahre gekommen und zudem nicht für die durch das heutige Verkehrsaufkommen ständig steigende Belastung ausgelegt. Aktuell stehen deshalb die Verantwortlichen vor der Aufgabe, eine ökonomisch sinnvolle Lösung für den Umgang mit solchen Bestandsbauwerken zu finden, damit sie sich möglichst lange und dabei trotzdem sicher nutzen lassen.
Faseroptikbasierte Überwachungsmethoden bieten dafür gute Voraussetzungen. An der Universität Stuttgart in Kooperation mit der Schömig-Plan Ingenieurgesellschaft wurde in Labor- und Feldversuchen die Anwendung kontinuierlicher Dehnmessfasern als Dauermonitoring zur Rissdetektion und -überwachung untersucht, unter praxisrelevanten Bedingungen an einer Autobahnbrücke installiert und die Leistungsfähigkeit mit positivem Ergebnis getestet.
Die aktuellen Weiterentwicklungen hochauflösender kontinuierlicher faseroptischer Sensoren (Distributed Fibre Optic Sensing, DFOS) auf Basis der Rayleigh-Streuung bieten bei entsprechender Verlegung prinzipiell die Möglichkeit kritische Bauwerksbereiche nahezu flächendeckend zu überwachen. Ein DFOS besteht aus einem Lichtwellenleiter und einer Ausleseeinheit (Interrogator) mit einer Laser-Lichtquelle. Als Sensor dient eine Single-Mode (SM) Glasfaser, wie sie auch die Telekommunikation bei Langstreckenübertragungen verwendet. Damit wird es möglich, über die Messung der Rayleigh-Streuung Dehnungsverteilungen in einer lateralen Auflösung von etwa 1 mm über eine Sensorlänge von bis zu 50 m kontinuierlich zu erfassen und zu lokalisieren.
Funktionsprinzip der Rayleigh-Sensorik
Bei der Rayleigh-Sensorik wird Laserlicht in die Glasfaser eingekoppelt und das vom Fasermaterial rückgestreute Rayleigh-Licht mit hoher Auflösung über ein optisches Messverfahren abgetastet. Im Ergebnis erhält man ein charakteristisches Muster entlang der Faser, den sogenannten Fingerprint, der für jeden Abschnitt unterschiedlich, aber äußerst stabil und reproduzierbar ist. Ursache hierfür ist die amorphe Struktur von Glas, die sich statistisch über die Faser verteilen. Bei äußeren Dehnungsänderungen wird dieser Fingerprint in eindeutiger Weise auseinander- oder zusammengeschoben, sodass die Änderung des lokalen Rayleigh-Musters in eine Dehnung umgerechnet werden kann.
Da jeder Punkt der Faser für diesen Effekt empfindlich ist, stellt die gesamte Faser in voller Länge einen verteilt messenden Sensor dar. Über die Kopplung von bis zu acht Sensoren ist aktuell eine Messlänge von 400 m bei einer Messrate von 2,5 Hz erreichbar. Dabei sind diese faseroptischen Messsysteme unempfindlich gegenüber elektromagnetischen Einwirkungen oder anderen elektrischen Beeinflussungen.
Vom Labortest zum Feldversuch
DFOS werden heute hauptsächlich zur Überwachung von Bohrpfählen oder Tunnelschalen eingesetzt. Für das Dauermonitoring von Brücken haben sie sich noch nicht etabliert. Zukünftig könnte sich das aber ändern: An der Universität Stuttgart wurde in enger Zusammenarbeit mit der Schömig-Plan Ingenieurgesellschaft das Verhalten von nachträglich auf einer Oberfläche applizierten Dehnmesskabeln zunächst im Labortest geprüft.
Der Fokus lag dabei auf einem Kompromiss zwischen der Robustheit der Applikationsmethode zum Schutz der Faser, der Aussagekraft der Messergebnisse und der Umsetzbarkeit der Installation am Bauwerk. Die untersuchten Applikationsvarianten und die Messtechnik wurden anschließend an einer Autobahnbrücke unter realen Umweltbedingungen und Verkehrsbeanspruchung in einem vierwöchigen Feldversuch getestet (Bild 1).
Die Qualität der lokalen Dehnungsmessung der an der Betonoberfläche angebrachten Faser hängt dabei wesentlich von der Dehnungsübertragung ab: vom Trägermaterial auf das Klebemittel, vom Klebemittel zur äußeren Ummantelung, den Zwischenschichten der Ummantelung und dem Verbund der inneren Ummantelung zur Messfaser. Gleichzeitig muss die Ummantelung der Messfaser aber auch den notwendigen Schutz bieten, also ausreichend robust sein. Handelsübliche Fasern sind z. B. mit Acryl- und Polyamidbeschichtung oder als robustere Variante mit PE oder Stahlummantelung erhältlich.
Eine gewisse Dehnungsreduktion ist dabei durchaus gewollt, um die Faser vor Bruch zu schützen. Eine solche Minderung der Dehnung im Faserkern kann ebenfalls durch die Wahl von Klebemitteln mit geringer Shorehärte wie z. B. dauerelastische Vergussmasse, erzielt werden. Zur Ermittlung der tatsächlichen lokalen Dehnung ist dann eine Kalibrierung der Messergebnisse des Dehnmesskabels in Kombination mit der Applikationsweise notwendig. So werden die Ergebnisse rückführbar gemäß der geltenden DIN/ISO-Normen.
Installation an einer Spannbeton-Autobahnbrücke
Aufgrund der Labortestes wurden als Sensoren für den Feldversuch Dehnungsmesskabel mit einer Ethylen-Propylen Ummantelung (V1) und eine SM-Faser mit einer Hytrel-Acrylat Ummantelung (SMF-28) gewählt. Um sie während des vierwöchigen Tests an der Spannbeton-Autobahnbrücke vor Umwelteinflüssen, Vandalismus und der Ablösung bei unzureichendem Verbund zu schützen, wurden sie in Nuten in der Betondeckung verlegt (Bild 2 und Bild 3). Eine aufwendige Oberflächenvorbereitung am Bauwerk und eine zusätzliche Sicherung des Kabels während der Aushärtezeit des Klebemittels waren dadurch nicht notwendig.
Da die Koppelfugen der ausgewählten Autobahnbrücke ohnehin überwacht wurden, konnte im Vorfeld ein Bereich mit Rissbildung und bekannter Rissbewegung für die Prüfung der Anwendbarkeit der Dehnmesskabel festgelegt werden. Insgesamt wurden vier Kabel über eine Länge von ca. 25 m zur Rissüberwachung in Schleifen über die Koppelfuge geführt.
Zur Überprüfung der Einflüsse aus Verkehr und allgemeinem Dehnungsverhalten sind die Dehnmesskabel außerdem an der Stegkante geradlinig bis in Feldmitte verlegt. Der nicht verklebte Teil der Kabel ist zusätzlich am Überbau montiert und gesichert, um das anfallende Datenvolumen und die Funktionsweise der Sensoren bei großen Längen bis zu 50 m zu testen.
Zur Verifizierung der faseroptischen Dehnungsmessungen dienen Wegaufnehmer, die gestaffelt über die Höhe der Koppelfuge installiert sind. Auch die Temperaturkompensation während der Messung wurde berücksichtigt. Das faseroptische Auslesesystem überträgt die Messdaten der Dehnmesskabel dann auf eine Workstation. Hier werden sie kontinuierlich bereinigt, ausgewertet und in Dateien abgelegt. Beobachtet man die Echtzeitmessungen, so sieht man beispielsweise bei den Werten aus dem Feldbereich mit gradliniger Kabelverlegung jedes Mal ein Heben und Senken der Messkurve, wenn ein Schwerlastfahrzeug die Brücke überquert (Bild 5).
Mehr Qualität beim Bauwerksmonitoring
Der Feldversuch brachte positive Ergebnisse. Er hat bewiesen, dass die kontinuierliche faseroptische Messtechnik für ein Dauermonitoring kritischer Brücken geeignet ist. Derzeit stellt lediglich die hohe Datenmenge der kontinuierlichen Messung noch eine Herausforderung an das Datenmanagement. Daran wird aktuell gearbeitet.
Zudem soll die automatisierte Datenauswertung noch um ein Alarmierungssystem erweitert werden und die Überwachung weiterer Bestandsbrücken ist derzeit in Vorbereitung. Außerdem hat der Feldversuch gezeigt, dass die innovative Monitoring-Methode auch in anderen Bereichen des konstruktiven Ingenieurbaus erfolgreich eingesetzt werden kann, z. B. im Hochbau oder bei empfindlichen Schalentragwerken. Für das Bauwerksmonitoring zeichnet sich damit ein enormer Qualitätsschub ab.
Originalveröffentlichung: Novák, B.; Stein, F.; Reinhard, J.; Dudonu, A. (2021) Einsatz kontinuierlicher faseroptischer Sensoren zum Monitoring von Bestandsbrücken. Beton- und Stahlbetonbau 116, H. 10, S. 718–726. https://doi.org/10.1002/best.202100070
Bildnachweise: Soweit nachfolgend nicht anders aufgeführt bei den Autoren. Titelbild: ©shutterstock.com/sivivolk
ARD-Fernsehbeitrag über marode Brücken und den Einsatz faseroptischer Sensorik von Polytec zur 24/7-Überwachung. Der Beitrag beschreibt das Forschungsprojekt dieses Artikels.
