Faser Bragg Gitter Sensoren - Anwendung in Faserverbundwerkstoffen

Vor dem Hintergrund der immer bedeutender werdenden Instandsetzung und Verstaerkung aelterer Bauwerke werden Textilbewehrungen aus Kunststoffen behandelt, in die zur messtechnischen Ueberwachung der Wirkungen optische Fasern eingelegt wurden. Die Anwendung von Faserbewehrungen aus Kunststoffen (Fiber Reinforced Polymers (FRP)) hat im letzten Jahrzehnt bei der Instandsetzung von Betonbauwerken deutlich zugenommen. Zum Einsatz kommen sowohl Kohlefaserkunststoffe als auch andere Fasern aus hochfesten Materialien. Die Hauptanwendung ist aber heute die von Kohlenstofffasern, die in einer Polymermatrix eingebettet sind, wobei der Anteil der Kohlenstofffasern circa 70 Prozent des Verbundmaterials betraegt. Dieses Material (Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP)) kann sowohl als schlaffe Bewehrung als auch als vorgespannte Bewehrung eingesetzt werden. Die Versagensarten dieser Bewehrungen koennen unterschiedlich sein, wobei die Rissbildung im Verbundmaterial als auch der Verlust des Haftverbunds zum Betonuntergrund ueberwiegen. Das Versagen kann bei diesen Versagensarten sehr ploetzlich und ohne Ankuendigung eintreten. Deshalb ist es wichtig, das sproede Verhalten der Bewehrung zu ueberwachen. Bisher wurden dazu meist elektrische Messverfahren eingesetzt. Eine andere Moeglichkeit, die hier vorgstellt wird, ist das Einbetten optischer Glasfasern in die Kunststoffbewehrung. Die am meisten fuer diesen Zweck verwendeten Sensoren sind die Fiber Bragg Grating Sensors (FBGS). Zum Schutz gegen mechanische Beschaedigungen erhalten die Glasfasern einen synthetischen Ueberzug. Im Beitrag wird der theoretische Hintergrund der Funktionsweise der Lichtwellenleiter ausfuehrlich mit Hilfe von Formeln erlaeutert. Mit den FGBS koennen sowohl Dehnungen als auch Temperaturen in den Bewehrungen gemessen werden. Zu den Vorteilen gegenueber den elektrischen Messverfahren gehoeren die kleinen Abmessungen, das geringe Gewicht, die Unempfindlichkeit gegenueber elektromagnetischer Strahlung und vielen Chemikalien sowie eine hohe statische und dynamische Messwertaufloesung. Die optischen Sensoren koennen nicht nur eingebettet in Textilbeton angewendet werden, sondern generell zur Ueberwachung von Bauwerken, auf die sie dann aufzukleben sind. Bei der Herstellung von Textilbeton ist es ganz wichtig, dass die optischen Fasern sorgfaeltig fixiert werden. Dazu werden mehrere Methoden vorgestellt. Mit den modernen faseroptischen Messsystemen kann ein langzeitstabiles Monitoring von Bauwerken gelingen, wobei auch die Detektion von Rissen und die Ueberwachung der Rissbreite moeglich ist. ABSTRACT IN ENGLISH: Since 1970 the development of optical fiber measurement systems has begun. Especially the measuring of strain and temperature with Fiber Bragg Gratings (FBG) is interesting, because there are a large number of advantages compared to electrical measuring methods. Examples are small dimensions, low weight, high static and dynamic resolution of measured values, corrosion resistance, variable forms, multiplex behavior, long distance monitoring and high durability. In the past there were several attempts to use optical systems for monitoring of concrete structures. One example is the strain measurement in rebar reinforcement. Another possibility is the embedding of optical fibers with FBG in Carbon Fiber Reinforced Polymers. The main problem is the fixing of the glass fiber and the small FBG at the designated position. In this paper the possibility of setting the glass fiber with embroidery at the reinforcing fiber material is presented. Experiments show the functionality of the method. (A)