9', BERICHTE NR. 1463, 1999 475 Langzeit- und Fernüberwachung von Bauwerken P. Anderegg, R. Brönnimann, M. Stahl, Dübendorf (CH) Zusammenfassung Mehr und mehr interessiert es, Bauwerke permanent zu überwachen. Temperaturabhängige Bauteilbelastungen zu kennen ist ebenso wichtig wie mechanische. Der Beitrag beschreibt den Einsatz von Dehnungsmessstreifen und faseroptischen Sensoren zur Langzeit- und Fernüberwachung der Bauteilbeanspruchung an drei ausgeführten Projekten. Die Entwicklung der Sensoren, die Messkette und die Messresultate werden diskutiert. Summary Monitoring of large civil structures gains increasing interest. To know temperature induced load is as important as mechanical loads. We describe the use of strain gages and fiber optical sensors for long term and remote monitoring on three recently realized projects. The development of the sensors, the measuring chain and the measuring results are discussed. 1. Einleitung Der Einsatz von Leichtbau-Werkstoffen und das generelle Interesse an Überwachungssystemen zur Frühwarnung im Schadensfall erfordern zunehmend permanente Bauwerküberwachungen. Bauteilkräfte und Materialspannungen werden vielfach aus Dehnungsmessungen ermittelt; ergänzend zu Dehnungsmessstreifen (DMS) setzen wir dazu faseroptische Sensoren (FOS) ein. Beide Sensortypen eignen sich durch ihre hohe Auflösung von 1µm/m, Zuverlässigkeit und die vernachlässigbare Drift sehr gut zur Langzeitüberwachung von Bauwerken. FOS sind zudem unempfindlich gegenüber elektrischen Störungen und erfordern einen geringeren Verkabelungsaufwand. Wir beschreiben hier drei ausgeführte Projekte. Eine Schrägseilbrücke mit Stahl- und CFK- Kabeln wird mit DMS und FOS seit knapp drei Jahren überwacht. Während der Erhöhung einer Staumauer konnten mit DMS und FOS bestückte Versuchssensoren eingebaut werden; die DMS werden direkt über ein Multimeter gemessen und die Daten via Modem ausgelesen. An einer Stahlrohrfachwerkbrücke mit CFK-Vorspannkabeln verwendeten wir erstmals FOS, welche direkt bei der Drahtherstellung in die CFK-Drähte eingebettet wurden. 2. Messkonzept Die angewandten Messprinzipien setzten wir folgendermassen um: 2.1 Dehnungsmessstreifen und induktive Wegaufnehmer Für die Dehnungsmessung auf den verschiedenen Trägermaterialien hier Stahl und CFK verwendeten wir eine DMS-Halbbrückenschaltung bestehend aus einem aktiven DMS und einem Dummy-DMS; ergänzt wird diese zu einer Vollbrücke ausserhalb der Applikations-
9', BERICHTE NR. 1463, 1999 476 stelle mit Präzisions-Widerstandspaaren. Über eine Sechsleiterschaltung werden die Signale auf einen 5-kHz-Trägerfrequenzverstärker geführt. Auch die Weg-Messsignale der induktiven Halbbrücken werden via 5-Leiterschaltung auf bis 100m entfernte 5-kHz-Messverstärker geführt. Ist die Trägerfrequenz von 5 khz für die induktiven Aufnehmer eine Voraussetzung, verwenden wir diese für die DMS, um die Störsignale (z.b. Bahnstrom) möglichst gering zu halten. Das analoge Ausgangssignal wird dem Datenlogger zugeführt. Von diesem aus werden die Daten entweder periodisch über einen PC, eine Speicherkarte oder über ein Modem ausgelesen. 2.2 FOS mit Bragg-Gitter-Arrays Parallel und ergänzend zu DMS verwenden wir für faseroptische Messungen sogenannte Bragg-Gitter-Sensoren. In eine Messfaser sind mehrere Bragg-Gitter eingeschrieben. Wird nun Licht durch die Faser geschickt, reflektiert jedes dieser Gitter eine bestimmte Wellenlänge. Wird die Faser mit den Gittern gedehnt, so verschiebt sich die reflektierte Wellenlänge. Aus der Wellenlängenänderung lässt sich die Dehnung berechnen. Jedes Gitter der Faser kann nun auf einen anderen Teil der überwachten Struktur aufgebracht werden. Damit lassen sich mit einer einzigen Faser mehrere Messstellen erfassen [1]. 3. Resultate aus drei Projekten 3.1 Storchenbrücke Winterthur (CH) An der als Schrägseilbrücke mit insgesamt 24 Spannkabeln ausgeführten neugebauten Storchenbrücke über den Bahnhofbereich in Winterthur baute die EMPA zwei Spannkabel aus kohlefaserverstärktem Kunststoff (CFK) ein (Figur 1). Jedes Kabel besteht aus 241 CFK- Drähten mit einem Durchmesser von 5mm. Dabei sind die Ankerköpfe ein zentrales Bauteil: Im Gegensatz zu Stahlspannkabel, wo die Kraft über die gestauchten Drahtenden übertragen wird, werden bei unseren CFK-Kabel die Zugkräfte über ein spezielles Verankerungssystem übertragen. Dieses besteht aus einer Epoxid-Vergussmasse mit achsial veränderlichem E-Modul, welche in einem innen konischen Stahlankerkopf mit den CFK-Drähten vergossen ist [2]. Um die Kabelkräfte und den Ankereinzug an diesen zwei Kabeln während des Baus sowie im Betrieb zu überwachen, werden diese permanent gemessen [3]. 2 CFK Kabel Figur 1: Storchenbrücke mit den zwei CFK-Kabeln
9', BERICHTE NR. 1463, 1999 477 Die Kabelkräfte werden mittels Dehnungsmessungen der CFK-Drähte ermittelt, die Messung des Ankereinzugs mittels einer Wegmessung im Ankerkopf. Als Dehnungsaufnehmer wurden DMS und FOS eingesetzt, für die Wegmessung ein mit DMS bestückter Biegebalken. Im Gegensatz zu den störunempfindlichen FOS erwies sich das Messen der sehr kleinen Spannungen mit DMS in einer Bahnumgebung mit 15 kv-spannungsnetz als sehr anspruchsvoll. Um die Bau- und Betriebsphasen zu überwachen, wurden seit der Montage der beiden CFK- Kabel periodische Dehnungsmessungen durchgeführt. Figur 2 zeigt den Vergleich der gemessenen Dehnungen von DMS und FOS eines CFK-Kabels seit dem Einbau mit allen Bauetappen wie Vorspannen, Betonieren und Betrieb. Eine gute Übereinstimmung der beiden Sensorsysteme ist ersichtlich. 1600 Kabeldehnung [µm/m] 1200 800 400 FOS K44 DMS K44 0 25.03.96 25.03.97 25.03.98 Figur 2: Vergleich der DMS- und FOS-Messungen während Bau und Betrieb Die permanente Langzeitüberwachung mit den DMS-Sensoren ist seit über zwei Jahren in Betrieb. Die dreistündigen Mittelwerte werden vom Datenlogger erfasst und gespeichert. Figur 3 zeigt die Tagesmittelwerte der Kabelkräfte und Kabeltemperaturen des einen CFK- Kabels der ersten zwei Betriebsjahre; das zweite Kabel zeigt einen ähnlichen Verlauf. Es ist klar ersichtlich, dass die Kabelkräfte im wesentlichen mit der Kabeltemperatur korrelieren. Im Gegensatz zu den Stahldrähten ist der achsiale Temperaturausdehnungskoeffizient der CFK-Drähte praktisch Null. Es findet eine Kraftumlagerung zwischen den Stahl- und den CFK-Kabeln statt. Durch die Tagesmittelung werden in den gemessenen Kabelkräften die saisonalen Temperaturänderungen sichtbar. Wechselnde Verkehrslasten mitteln sich heraus. Die Absolutkräfte werden mit einer Messunsicherheit von 5% (U 95 ) bestimmt. 1150 35 Kabelkraft [kn] 1050 950 15-5 Kabeltemperatur [ C] K43-kN K43- C 850 5.12.96 5.12.97 5.12.98-25 Figur 3: Tagesmittelwerte der Kabelkräfte und Kabeltemperaturen
9', BERICHTE NR. 1463, 1999 478 Die CFK-Kabel sind bald drei Jahre eingebaut. Bis jetzt konnten wir keine signifikante Änderung des Verhaltens der CFK-Kabel feststellen. Sowohl die periodische Messung der FOS wie die permanente der DMS arbeiten störungsfrei. 3.2 Staumauer Luzzone (CH) Die Bogen-Staumauer Luzzone im südlichen Teil der Schweiz wurde kürzlich um 17m auf 225m erhöht (Figur 4). Dabei hatten wir die Gelegenheit, verschiedene Arten von Dehnungsund Temperatursensoren einzubauen. Zur Dehnungsmessung im Beton entwickelten wir verschiedene ein- und dreidimensionale Sensoren mit auf Stahlkörper applizierten DMS und FOS [4, 5]. Hier beschreiben wir die Ferndatenerfassung. Figur 4: Bogen-Staumauer Luzzone während der Erhöhung Bei einem 200km vom Arbeitsplatz entfernten Messobjekt auf 1600 m über Meer in den Alpen wird schnell der Ruf nach Fernüberwachung laut. Dadurch können die Funktionstüchtigkeit des Messsystems jederzeit überprüft und die Messresultate ohne zeitlichen Verzug beschafft werden. In Luzzone werden die Messdaten mit einem MacIntosh und einem PC unter Windows95 erfasst. Sowohl das Mac-OS wie auch Win95 sind nur bedingt geeignet, gleichzeitig zu messen und fernüberwacht zu werden. Die Rechner sind in der Staumauer über ein Ethernet-Netzwerk verbunden. Sie kommunizieren mit dem TCP/IP-Protokoll, welches von allen gängigen Betriebssystemen unterstützt wird. Die Verbindung der lokalen Insel zur Aussenwelt wird durch einen dritten Rechner auf UNIX-Basis sichergestellt (Figur 5). EMPA Luzzone Mess-PC MAC DMS Client-PC EMPA Modem Modem analoge Telefonleitung Linux-Server Luzzone Netzwerkinsel Ethernet TCP/IP Mess-PC Win95 FOS Figur 5: Topologie des Ferndatenerfassungssystems
9', BERICHTE NR. 1463, 1999 479 Unix-Systeme weisen die dafür notwendige Funktionalität standardmässig auf und gewährleisten auch den Zugriffsschutz. Der Kommunikationsserver wurde mit Linux, einer kostenlosen PC-Unix-Variante, die wenig Ansprüche an die Hardware stellt, realisiert. Der Linux- Server wurde in einer zweiten Phase auch direkt für Messaufgaben eingesetzt. Die Modemverbindung zwischen lokalem Client und dem Server in der Staumauer wird auf zwei verschiedene Arten betrieben. Beim Shell-Account arbeitet man in gleicher Weise mit dem System, wie an einem lokal angeschlossenen Textterminal. Die RS232-Übertragungsstrecke zwischen Terminal und Server wird dabei durch die Modemverbindung nur verlängert. Dies ist ein einfaches Verfahren, das sehr zuverlässig funktioniert und ohne grossen Aufwand konfiguriert werden kann. Die zweite Möglichkeit ist der Einsatz von Internettechnik. Dabei wird zwischen dem Arbeitsplatzrechner und dem Server in Luzzone ein ppp-link (ppp = Point-to-Point-Protokoll) aufgebaut, über den IP-Pakete übertragen werden. Der Zugriff vom Clientrechner zum Server kann danach über die bekannten Internet-Tools (z.b. telnet für remotelogin oder ftp für Datenübertragung) erfolgen. Der grösste Vorteil gegenüber dem Shell-Account ist, dass mehrere Dienste simultan genutzt werden können. Die beiden Messcomputer sind nur via TCP/IP über die Ethernetinsel erreichbar, da sie hinter dem Kommunikationsserver liegen. Auf den Messrechnern sind deshalb FTP-Server (Software) installiert, auf die mit den üblichen Clients zugegriffen werden kann. Für die permanente Messung der DMS ersetzten wir das anfänglich installierte, teure Vielstellenmessgerät durch ein Standard-Digitalmultimeter mit eingebautem Scanner. Auflösung und Stabilität hochwertiger Multimeter genügen den hohen Anforderungen, welche das Messen der sehr kleinen Widerstandsänderungen von DMS stellt. Mit lediglich drei zusätzlichen Widerständen können drei DMS und zwei PT100 präzise gemessen werden. Die Distanz zwischen Sensor und Zusatzschaltung beträgt 10m, diejenige bis zum Multimeter 150m (Figur 6). Da im Prinzip Verhältnismessungen gemacht werden, ist nur die Kurzzeitstabilität des Multimeters und die Langzeitstabilität der Widerstände wichtig. Die Steuerung des Messgerätes erfolgt direkt über den beschriebenen Linux-Rechner. 120Ω DMS1 DMS2 DMS3 T0 Sensor im Beton 2kΩ 120Ω DY1 DY2 DY3 T1 Figur 6: Schaltschema zum Messen von DMS mit einem Multimeter
9', BERICHTE NR. 1463, 1999 480 Das Messsystem liefert seit bald einem Jahr kontinuierlich und zuverlässig Messdaten. Figur 7 zeigt die Aufzeichnungen der Betondehnungen und -temperaturen eines Sensors mit drei 50cm langen Sektionen zur Dehnungsmessung. 30 15 Dehnung [µm/m]. 5-20 -45 DMS1 DMS2 DMS3 T0 T1-70 15.4.98 16.7.98 16.10.98 17.1.99 10 5 0-5 Temperatur [ C] Figur 7: Tagesmittel der Dehnungen und Temperaturen in der Staumauer Es gibt viele Möglichkeiten der Ferndatenerfassung. Die Vorteile der vorgestellten Lösung sind jedoch ihre Flexibilität, Transparenz, Zuverlässigkeit sowie minimale Kosten. 3.3 Brücke in Emmen (CH) Diese Stahlfachwerkbrücke (Stahl-Betonverbund) für Fussgänger- und Fahrradverkehr über die kleine Emme bei Luzern ist total 56m lang und 3.8m breit. Eine Neuheit sind die zwei in einem 47m langen Rohr (untenliegender Zuggurt) eingezogenen CFK-Vorspannkabel (Figur 8). Jedes Kabel besteht aus 91 Drähten mit einem Durchmesser von 5mm. Wie bei der Storchenbrücke sind auch hier die Ankerköpfe ein zentrales Bauteil. Mit induktiven Aufnehmern wird der Einzug der Kabelverankerung gemessen. Die Brücke wurde gleich neben dem Einbauort fertig montiert, betoniert und die zwei CFK-Kabel auf je 240 Tonnen vorgespannt ( Draht FD PP DQVFKOLHVVHQG VHW]WH HLQ IDKUEDUHU 5DXSHQNUDQ GLH 7RQQHQ schwere Konstruktion millimetergenau auf die Widerlager. 2 CFK-Kabel Figur 8: Ansicht und schematischer Querschnitt der Brücke in Emmen
9', BERICHTE NR. 1463, 1999 481 Zur Überwachung der Spannkräfte sowie der Kraftübertragung in den Ankerköpfen wurden nebst DMS und PT100 im CFK-Draht eingebettete FOS eingesetzt. Für dieses Einbetten entwickelten wir ein Verfahren. Dies war eine Herausforderung, musste das Ganze aus Zeitgründen schon beim ersten Mal nur mit den theoretischen Überlegungen ohne Vorversuche gelingen. Der 5mm-CFK-Draht besteht aus 30 Strängen mit je 12'000 Kohlefasern von P'XUFKPHVVHU'LHUXQG PGLFNHRSWLVFKH)DVHUZXUGHZährend des Drahtziehprozesses möglichst zentrisch in die Kohlefaser/Harz-Matrix miteingezogen. Während des ganzen Einziehens wurden die FOS gemessen [6]. Wie bei der Storchenbrücke installierten wir auch hier eine permanente Langzeitüberwachung der DMS und Wegaufnehmer zur Kontrolle von Kabelkraft und Ankereinzug auf der Basis eines modemfähigen Messwert-Loggers. Aus betrieblichen Gründen werden die FOS- Daten nur zeitweise erfasst; Figur 9 zeigt einen Ausschnitt der Messungen. Eine klare Korrelation zwischen Temperatur und Kabeldehnung ist ersichtlich: Sie folgt den temperaturbedingten Längenänderungen der Stahl-Betonstruktur. Der leichte Vorlauf der Kabeldehnung gegenüber der Temperatur rührt von der ungleichen Sonnenbestrahlung der gesamten Brücke und der Temperaturmessstellen her. Dehnung [µm/m] 8450 Kabel2: Dehnung 8350 8250 Kabel2: Temperatur 8150 14.12.98 21.12.98 28.12.98 4.1.99 20 10 0-10 Temperatur [ C] Figur 9: FOS-Messungen an einem CFK-Kabel im Betrieb Als besonders günstig erwiesen sich die FOS, um den achsialen Dehnungsverlauf innerhalb des Verankerungsbereichs zu messen: Einige der Bragg-Gitter in den CFK-Drähten befinden sich im Ankerkopf. Figur 10 zeigt die Dehnungsverteilung während des Vorspannens und im Betrieb. Ein Kriechen wird nicht festgestellt. 10000 Dehnung [µm/m] 8000 6000 4000 2000 0-2000 Betrieb Lastaufbau 0 100 200 300 400 500 Position im Ankerkopf [mm] Figur 10: FOS-Messung der Dehnungsverteilung im Ankerkopf
9', BERICHTE NR. 1463, 1999 482 4. Schlussfolgerungen Die von uns ausgeführten Projekte sowie die parallel dazu erfolgten Kalibrierungen und Langzeitversuche im Labor zeigen, dass sich DMS und zunehmend FOS durch ihre hohe Auflösung, Zuverlässigkeit und die vernachlässigbare Drift sehr gut zur Dehnungsüberwachung von grossen Bauwerken eignen. Durch den parallelen Einsatz von FOS und DMS wird das faseroptische Messverfahren über das etablierte verifiziert, so dass künftig FOS alleine für Überwachungsaufgaben eingesetzt werden können [7]. Mit den von uns eingesetzten Messgeräten streben wir zudem möglichst Standardlösungen für die Überwachung von Bauwerken an, so dass die Kontrollen einfach, rasch und zuverlässig extern wahrgenommen und die richtigen Massnahmen zur richtigen Zeit getroffen werden können. 5. Dank Für die Unterstützung unserer Arbeit während der verschiedenen Bauwerkserstellungen möchten wir vor allem danken: Stadt Winterthur, Maggia Kraftwerke, Bundesamt für Wasserwirtschaft, Firma BBR, Verkehrs- und Tiefbauamt Kanton Luzern. Weiter auch unseren Kollegen, die, unter teils misslichen Wetterbedingungen, zum Erfolg beigetragen haben. 6. Literatur [1] Nellen Ph. M, Anderegg P., Brönnimann R. and Sennhauser U., Application of Fiber optical and resistance Strain Gauges for long-term Surveillance of Civil engineering Structures, SPIEVol. 3043(-15), San Diego, March 2-6 1997. [2] Heinz Meier, Urs Meier, Rolf Brönnimann, Zwei CFK-Kabel für die Storchenbrücke SI+A Nr.44, 1996 [3] Urs Sennhauser, Peter Anderegg, Rolf Brönnimann and Ph. M. Nellen, Monitoring of Stork Bridge with Fiber optic and electrical Resistance Sensors US-CND-EU-Workshop on Bridge Engineering, Zürich, July 1997 [4] R. Brönnimann, Ph. M. Nellen, P. Anderegg, U. Sennhauser, Packaging of Fiber Sensors for Civil Engineering Applications MRS, 13.-17.4.1998, San Francisco, Symposium DD, Reliability of Photonics Materials and Structures, Paper DD7.2 [5] Rolf Brönnimann, Philipp M. Nellen, Peter Anderegg, Urs Sennhauser, Application of optical fiber sensors on the power dam in Luzzone Int. Conference on Applied Optical Metrology, June 8-11, Balatonfüret, 1998 [6] Philipp M. Nellen, Andreas Frank, Rolf Brönnimann, Urs Meier and Urs Sennhauser Fiber Optical Bragg Grating Sensors Embedded in CFRP Wires, SPIE's 6 th annual symposium on smart structures and materials, Newport Beach, March 1-5, 1999 [7] Rolf Brönnimann, Philipp M. Nellen, Faseroptische Sensoren Messmittel der Zukunft? Schweizerische Technische Zeitschrift, 1/99