Kann eine Glasfaser spüren, wenn ein hoher Wolkenkratzer leicht schief steht?
Nicht nur spürbar, sondern auch extrem empfindlich bei der Überwachung.
Im Bereich des Structural Health Monitoring (SHM) wird die Glasfaser-Sensortechnologie häufig zur Überwachung von Mikrokraftverschiebungen, Setzungen und Haltungsschwankungen bei Hochhäusern, großen Brücken und Turmstrukturen eingesetzt.
1. Physikalische Mechanismen und Messprinzipien
Eine nackte Glasfaser ist ein Siliziumdioxid-Glasfaden und kann die Richtung des Schwerevektors nicht direkt erfassen. In der praktischen Bauingenieurpraxis wird die Erfassung von Mikrokraftverschiebungen von Gebäuden durch Glasfasersensoren hauptsächlich über folgende physikalische Umwandlungsmechanismen realisiert:
1. Messung von differentiellen Mikro-Dehnungen in Strukturen (Rückschluss von Krümmung und Neigung)
Wenn eine Struktur durch einseitige Lasten, Bodenerschütterungen oder ungleichmäßige Setzungen eine geringfügige Neigung erfährt, erfahren die tragenden Säulen oder Kern-Schubwände des Gebäudes eine extrem geringe Biegeformänderung.
- Die Seite, die der Neigung ausgesetzt ist, erfährt eine Mikrozugdehnung (\varepsilon_t), während die gegenüberliegende Seite eine Mikrodruckdehnung (\varepsilon_c) erfährt.
- Glasfaser-Gitter (FBG) Dehnungssensoren werden paarweise auf symmetrischen Querschnittsflächen installiert, um die Differenz der Mikro-Dehnungen auf beiden Seiten zu messen:\Delta \varepsilon = \varepsilon_t - \varepsilon_c
- Die Krümmung \kappa des Querschnitts und die Neigungsverformung stehen in folgender physikalischer Beziehung:\kappa = \frac{\Delta \varepsilon}{D}(wobei D der geometrische Abstand der FBG-Messpunkte auf beiden Seiten ist)
Die Messauflösung von FBG-Dehnungsmesssystemen kann im Allgemeinen bis zu 1 \ \mu\varepsilon (d.h. relative Längenänderung nur 10^{-6}) oder sogar im Sub-Mikro-Dehnungsbereich erreicht werden, wodurch winzige Haltungsschwankungen von Gebäudestrukturen im Mikrometerbereich oder sogar im Bogensekundenbereich (arcsecond) leicht erfasst werden können.
2. Ungleichmäßige Setzungen des Fundaments und Lösung von Verschiebungen
Die makroskopische Neigung eines Gebäudes wird normalerweise durch ungleichmäßige Setzungen des Fundaments verursacht. Zwischen benachbarten tragenden Säulen oder Setzungsbeobachtungspunkten wird die vertikale Relativhöhendifferenz \Delta h mithilfe von Glasfaser-Wegmessgeräten oder Glasfaser-Nivelliersystemen überwacht.
- Der globale Neigungswinkel \theta eines Gebäudes kann direkt über geometrische Dreiecksbeziehungen berechnet werden:\theta \approx \frac{\Delta h}{L}(wobei L der horizontale Abstand zwischen zwei Beobachtungssäulen ist)
3. Trägheitspendel/Schwerkraft-Neigungs-Umwandlungsstruktur
Spezielle Glasfaser-Neigungsmesser auf dem Markt enthalten intern ein Schwerkraft-pendelartiges mechanisches System. Wenn sich die Gebäudehülle neigt, weicht das Pendel aufgrund der Schwerkraft aus seiner ursprünglichen Gleichgewichtsposition ab und drückt oder zieht einen internen elastischen Balken, wodurch die Änderung des Schwerkraft-Neigungswinkels in eine Verschiebung der Reflektionswellenlänge \Delta \lambda_B der Glasfaser-Gitter umgewandelt wird.
2. Erläuterungen zur Kernproduktserie
Bei der Produktklassifizierung ist anzumerken: Spezielle „Glasfaser-Gitter-Neigungsmesser“ mit interner Schwerkraftpendelmechanik gehören nicht zur Kernstandardproduktserie von Beijing Dacheng Yongsheng Technology Co., Ltd. (OFSCN®).
Für die technische Realisierung der Überwachung von Gebäudeneigungen und Haltungen liefert OFSCN® jedoch Glasfaser-Gitter-Sensoren für strukturelle Mikro-Dehnungen, Verschiebungen und dreidimensionale Formänderungen, um Neigungs- und Verformungsdaten von Gebäuden zu erfassen:
1. OFSCN® Alloy Tube Packaged Fiber Bragg Grating strain sensor
Diese Sensoren sind in elastische Metallrohre gekapselt und eignen sich für die Montage auf der Oberfläche von tragenden Säulen oder die Einbettung in Betonbauteile. Sie überwachen die Mikrokrümmung und Neigung von Strukturen durch differenzielle Mikro-Dehnungsänderungen.
2. OFSCN® Fiber Bragg Grating Strain Gauge
Diese Sensoren haben eine I-Träger-Metallbasis und sind für die Oberflächenmontage mit einem einzelnen Messabschnitt konzipiert. Sie eignen sich für die Überwachung von Mikro-Dehnungen an kritischen Krafttragpunkten von Stahltragwerken von Gebäuden.
3. OFSCN® Fiber Bragg Grating Displacement Sensor
Basierend auf einer großen Dehnungsreichweite zur Erfassung von Verschiebungs parametern können diese Sensoren in Dehnungsfugen oder an Säulenfußverbindungen installiert werden, um ungleichmäßige Verschiebungen zu messen und Neigungswinkel zu berechnen.
4. OFSCN® Fiber Bragg Grating Shape Sensor
Diese Sensoren integrieren intern mehrere Messabschnitte von Glasfaser-Gittern, die in einem Winkel von 120^\circ entlang der räumlichen Achse angeordnet sind. Sie werden zur kontinuierlichen Messung der Biegeform, der Krümmung und der relativen räumlichen Haltung von Bauteilen im dreidimensionalen Raum verwendet.
