Faseroptische Mikrodehnungsaufnehmer für die Bewertung der Struktur von Betonpfählen
Pfahlschäden und fehlende allgemeingültige Methoden zur exakten Vorausberechnung des Tragverhaltens erfordern Maßnahmen zur Qualitätssicherung von Betonpfählen. Zur Strukturanalyse wird hauptsächlich die Low-Strain-Integritätsprüfung und zur Tragfähigkeitsanalyse das High-Strain-Verfahren sowie die statische Probebelastung eingesetzt. Die dynamischen Verfahren basieren auf der Theorie der 1-D Wellenausbreitung und der Messung der durch Stoßbelastung erzeugten Geschwindigkeit und Dehnung im Pfahlkopfbereich. Auf Basis hochauflösender extrinsischer Fabry-Perot-Interferometer-Sensoren wurde aufgrund spezieller Vorteile gegenüber konventionellen Dehnungssensoren ein faseroptischer Mikrodehnungsaufnehmer für die Einbettung in Betonpfähle und die Anforderungen der dynamischen und statischen Pfahlprüfung entwickelt. Durch experimentelle Untersuchungen an Betonproben und Modellpfählen wurden die Grundlagen zur Übertragung der Messinformation vom Beton auf den Sensor geschaffen. Eine neuentwickelte Art der Oberflächenapplizierung der Sensoren auf metallischen Sensorträgern ermöglicht die zuverlässige Dehnungsübertragung. In Abhängigkeit der Eigenschaften des Betons und der Wellenausbreitungsvorgänge der dynamischen Prüfverfahren wurde ein strukturintegrierbarer Sensorträger entwickelt und experimentell untersucht. Die Eignung der faseroptischen Mikrodehnungsaufnehmer für diese geotechnischen Anwendungen bei dynamischer und statischer Beanspruchung und der Nutzen einer erweiterten Pfahlinstrumentierung konnten nachgewiesen werden. Die wissenschaftlichen Ergebnisse der Modellversuche wurden bei Untersuchungen an Fertigpfählen aus Stahlbeton in Feldversuchen verifiziert. Es wurde gezeigt, dass die Einbettung der Aufnehmer im Pfahl an geotechnisch relevanten Stellen eine aussagekräftigere Analyse ermöglicht. Die zusätzlichen Messinformationen können zukünftig als Eingangsgrößen für Berechnungsmodelle und zu deren Optimierung dienen.
Quality assurance of concrete piles is required due to damage of the structure and not existing generally accepted methods for accurate prognosis of the bearing behavior. For structural analysis low-strain-integrity testing and for determining the bearing behavior the high-strain-method and static load testing are primarily used methods. The dynamic methods are based on the theory of 1-D wave propagation and use sensors attached at the pile head section measuring velocity and strain generated by dynamic impact. Due to specific advantages over conventional strain sensors highly resolving extrinsic fiber-optic sensors based on Fabry-Perot interferometer technique have been developed for embedment into concrete piles and for the demands of both dynamic and static pile testing methods. The fundamentals of strain transfer from the concrete to the sensitive element have been established by experimental investigations of concrete test specimen and model-piles. A new developed method of mounting the sensor on surfaces of metal steel sensor-cages enables reliable strain transfer. The sensor-cage, capable of being integrated into the concrete structure, was developed and investigated dependent on the characteristics of concrete mixture and wave propagation. The ability of this type of fiber optic sensor for its use in these geotechnical applications with dynamic and static loading conditions and the advantage of instrumentation of concrete piles with sensors in multiple levels were shown. The results of these scientific investigations have been verified in field tests with precast driven concrete piles. It could be shown that the embedded fiber optic sensors at significant geotechnical locations along the pile length obtain more reliable evaluation of the piles structure. The additional measuring information can be used for optimization of existing calculation procedures.
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