ZuKunFT - Vom Faseroptischen Monitoring zur präzisen Zustandserfassung von Kunstbauten

Brücken und Tunnel sind wichtige Elemente der Schienen- und Straßennetze. Regelmäßige Inspektionen dienen der Planung von Instandhaltungsmaßnahmen, die sowohl für den Erhalt der Verkehrssicherheit, als auch für den Erhalt des Bauwerks selbst notwendig sind. In den letzten 20 Jahren hat sich ergänzend zur Bauwerksinspektion das Monitoring mit unterschiedlichen Messsystemen etabliert. Als besonders effizient hat sich die Methode der verteilten Dehnungsmessung mit Hilfe von Lichtwellenleitern, kurz DFOS, herauskristallisiert. Mit diesem System können über lange Strecken mit nur einem Sensorkabel die Verformungen und Risse entlang dieses Kabels hochauflösend und genau gemessen werden. Die Schwachstellen des Systems liegen in der noch nicht gegebenen Langzeitstabilität, die aber für ein sinnvolles Bauwerksmonitoring unbedingt erforderlich ist. Letztendlich brauchen Entscheidungsträger der Straßen- und Bahnbetreiber absolut verlässliche Informationen über den Zustand ihrer Kunstbauten. Um dies zu gewährleisten, wird im Projekt ZuKunFT das Ziel verfolgt, alle zeit-, temperatur- und feuchteabhängigen Einflüsse auf Messergebnisse von faseroptischen Monitoring Systemen zu erforschen und Methoden zu entwickeln, um mit diesen Ergebnissen zu realen Bauwerksverformungen zu gelangen. Dafür werden neue experimentelle Wege eingeschlagen mit denen alle bis dato vernachlässigten Einflüsse systematisch, separat und hochpräzise im Labor ermittelt werden. Die dabei gewonnenen Ergebnisse repräsentieren das viskose und temperatur-, manchmal auch feuchtabhängige Verbundverhalten zwischen dem Lichtwellenleiter aus Glas und dem Bauwerk. Mit diesen fundamentalen Labor-Daten lassen sich theoretische Modelle erstellen, die in der Ingenieursoftware für mechanische Bauwerksberechnungen angewendet werden können. Dies erlaubt erstmalig, die Sensorkabel auch im Berechnungsmodell des Bauwerks „einzubauen“ und auf diesem Weg sowohl die Dehnungen im Sensor als auch die aufgrund des viskosen Verhaltens davon abweichenden Dehnungen im Bauwerk an derselben Stelle auslesen zu können. Da Temperatur, Feuchte und vor allem die Zeit nicht nur das Last-Verformungsverhalten von Sensorkabeln und ihrer Verklebung, sondern auch die optischen Eigenschaften des Messgeräts (Interrogator) beeinflussen, muss der dadurch entstehende Messfehler, eine sogenannte Signaldrift, kompensiert werden. Die dafür notwendigen physikalischen Grundlagen werden wieder im Labor gewonnen, indem unter unterschiedlichen, aber klar definierten Umgebungsbedingungen DFOS-Messungen mit unterschiedlichen Interrogatoren durchgeführt werden. So werden klimaabhängige Kalibrierfaktoren gewonnen, die bei Messungen im Feld entsprechend des aktuellen Klimas anzuwenden sind. Da davon auszugehen ist, dass im Langzeitmonitoring, also im Laufe von mehreren Jahrzenten, auch das Messgerät zu tauschen sein wird, muss ein daraus resultierender Signalshift, der sich aus Abweichungen in der Wellenlänge des Laserlichts ergeben kann, ebenfalls kompensiert werden. Dafür wird im Projekt ein Konzept eines Kalibriertests direkt am Bauwerk ausgearbeitet. Es erlaubt, den unbedingt notwendigen optischen Fußabdruck jedes Sensors, unabhängig vom eingesetzten Interrogator „objektiv“ ermitteln zu können. Alle Erkenntnisse und Tools werden bereits im Rahmen des Projekts an Brücken- und Tunnelbauwerken in Kombination mit den zugehörigen Bauwerksmodellen validiert und in Form eines Leitfadens für Bauwerksmonitoring mit DFOS aufbereitet.