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. / Distributed fiber optic sensor (DFOS) technology based on Rayleigh scattering is a unique and promising method for strain measurement in concrete structures as well as structural health monitoring (SHM). It can detect the smallest strain changes at any point in the measuring fiber with a high spatial resolution and sensitivity. Currently, there exist no material and handling recommendations for a reliable application, and the literature contains contradictory statements on strain transfer losses between substrate and fiber. The present study deals with the validation of this measuring method for scenarios in concrete structures. Besides applications on steel and concrete surfaces, the integration in a concrete matrix was investigated. The validation yields results for strain transfer losses for different fiber coatings or fiber coating/adhesive combinations. Furthermore, the development of an evaluation method using the computer language Python provides automated data preparation and measurement error substitution of the enormous data volumes.
For the validation on steel surfaces, the strain values of different coating-adhesive combinations on precision flat steels were compared in a 4-point bending test with a photogrammetric strain measurement. For the validation on concrete surfaces, concrete pressure cylinders were used to investigate the influence of a primer and different coating-adhesive combinations. Inductive displacement transducers served as a comparative measuring technique during the compression tests. Shrinkage tests allowed the validation of different coating materials in a matrix on concrete prisms. Digital dial gauges were used as a comparative measuring method. For evaluation purposes, the material and handling recommendations derived from the validation were tested on concrete beams.
The results of the validation tests indicate good results regarding strain transfer with an Ormocer coating. For application as tested , the use of a cyanoacrylate adhesive is recommended -- especially M-Bond 200 was convincing due to its low strain losses. Concrete surfaces should be sanded and primed with epoxy resin. If integrated into a concrete matrix, the Ormocer fibers also showed minor differences from the comparative measurement. The results of the evaluation tests verify the handling and material recommendations: the strain values of the fibers correspond to the values obtained in concrete-beam analysis. Oscillations of the strain profile due to microstructural disturbances could only be detected at the load application points.
Further research regarding the validation of additional components (adhesives, coating, primer) and their long-term stability, especially chemical and dynamic loads, is necessary. This study provides an overview of different coating and adhesives. However, the repertoire of available components is immense - especially for adhesives. During the validation on concrete surfaces and in matrix, a fine-grained concrete mixture was used. In this respect, different matrices and grain sizes should be the subject of further research.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa:de:qucosa:73360 |
| Date | 29 January 2021 |
| Creators | Weisbrich, Martin |
| Contributors | Bier, Thomas A., Holschemacher, Klaus, HTWK Leipzig, TU Bergakademie Freiberg |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | German |
| Detected Language | German |
| Type | info:eu-repo/semantics/publishedVersion, doc-type:doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, doc-type:Text |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
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