TY - THES A1 - Nöther, Nils T1 - Distributed Fiber Sensors in River Embankments: Advancing and Implementing the Brillouin Optical Frequency Domain Analysis N2 - Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung eines Systems zur verteilten Dehnungsmessung in optischen Glasfasern. Das System wurde zur Überwachung der strukturellen Integrität von Flussdeichen bei einer Messlänge von mindestens 5 km und einer Ortsauflösung von höchstens 5 m entwickelt. Grundlage des Messsystems ist der nichtlineare optische Effekt der stimulierten Brillouinstreuung (SBS), der die Dehnung einer optischen Glasfaser in eine messbare Frequenzverschiebung des Rückstreulichts eines optischen Signals überträgt. Die in dieser Arbeit angewendete und grundlegend weiterentwickelte Messtechnik ist die optische Brillouin-Frequenzbereichsanalyse (BOFDA). Die grundsätzliche Funktionalität dieser Technik war bereits vor Beginn der Untersuchungen zu dieser Arbeit gezeigt worden. Allerdings war ihre Entwicklung der Brillouin-Zeitbereichsanalyse (BOTDA), die den Stand der Technik darstellt, in Bezug auf ihre Sensoreigenschaften, ihre theoretischen Grundlagen, ihre Integrierbarkeit und ihre Robustheit für praktische Anwendungen weit unterlegen. Die Arbeit umfasst den theoretischen Hintergrund des Messsystems, verschiedene Weiterentwicklungen der Implementierung in ein anwendungsorientiertes Messgerät (u. a. neue Konzepte für Signalkorrekturverfahren zur Verbesserung der Sensoreigenschaften) und die Evaluierung des Systems in experimentellen Untersuchungen. Zu Beginn werden die physikalischen Eigenschaften der SBS in optischen Fasern untersucht und die Differentialgleichungen, mit denen der Effekt beschrieben werden kann, hergeleitet. Die Analyse konzentriert sich auf die spektralen Eigenschaften der Brillouin-Wechselwirkung, um die Messung der SBS im Frequenzbereich genau beschreiben zu können. Die BOFDA- Methode wird mit einer Systembeschreibung und Betrachtungen zur praktischen Umsetzung im Labor vorgestellt. Der Laboraufbau wird im Detail beschrieben; die Beschreibung umfasst die Komponenten, verschiedene Aspekte der Weiterentwicklung gegenüber dem Entwicklungsstand vor Beginn der Arbeiten sowie repräsentative Messergebnisse. Als wichtigster Fortschritt auf dem Weg zur kompletten Implementierung des Systems wird ein digitales Verfahren zur Frequenzbereichsanalyse (mit einer Systembeschreibung, einem Demonstratoraufbau und Messergebnissen) vorgestellt. Auf Grundlage der erarbeiteten Analyse der SBS wird die physikalisch bedingte Begrenzung der Ortsauflösung des Systems untersucht. Das Ergebnis ist eine neue Interpretation von Artefakten in hochauflösenden Messungen, von der aus eine Parallele zu ähnlichen Untersuchungen bezüglich der BOTDA-Methode aufgezeigt wird. Schließlich wird die Anwendung des Messsystems im Deichmonitoring vorgestellt. Hierzu wurde eine Technik zur Integration faseroptischer Kabel in Geotextilien sowie ein optisches Sensorkabel entwickelt. In Labor- und Feldversuchen wird die Eignung des Systems für das Deichmonitoring bestätigt. Durch die Weiterentwicklung des BOFDA-Verfahrens hat das Verfahren nicht nur in Genauigkeit und Auflösung zum BOTDA-Verfahren aufgeschlossen, sondern eröffnet neue Perspektiven in Dynamik, Robustheit und Kosteneffizienz. N2 - This thesis reports on the development of a system for distributed strain measurement in silica optical fibers. The system was developed to provide a solution for monitoring the structural health of river embankments with a measurement length > 5 km and a spatial resolution < 5 m. It is based on stimulated Brillouin scattering (SBS), a nonlinear optical effect which converts the mechanical strain of an optical fiber into a frequency shift of the backscattered light of an optical signal. The measurement technique that is employed and significantly advanced within this work is the Brillouin optical frequency domain analysis (BOFDA). Prior to this work, this technique had been presented as a laboratory setup providing its proof of concept; however, at this development stage, the technique had been limited in performance, theoretical foundation, integrability and robustness for real-life applications when compared to the state-of-the-art Brillouin optical time domain analysis (BOTDA). The thesis comprises the theoretical background of the measurement system, advancements regarding its implementation into a practically applicable device – including the proposal of techniques for performance enhancements in signal processing – as well as the evaluation of the system performance in experimental studies. First, the physical nature of SBS in optical fibers is analyzed. Here, special focus is set on the frequency domain properties of the interaction between the optical signals, which provides a deep understanding of the system behaviour in the special case of distributed measurements in the frequency domain. The BOFDA technique is then presented with a thorough analysis from a system point of view and considerations on its implementation in a practical setup. The laboratory setup is presented with all components and different aspects of advancement in accuracy and efficiency over the state of development prior to this work, along with representative measurement results. As the major advancement regarding the system implementation, a digital approach to frequency domain measurements is presented, with a system description, a demonstrator setup and measurement results. A detailed analysis of the physical occurrences within the system that lead to a limitation of its spatial resolution is given, founding on the description of SBS earlier in the thesis. It comprises a novel point of view on the measurement artifacts that degrade frequency domain measurements of SBS; a connection to corresponding studies that apply to the BOTDA technique is made. From here, a novel approach to overcome the limitations by means of signal correction in post-processing is presented. Finally, the application of the measurement system in dike monitoring is presented. A method for integrating optical fibers into geotextiles is introduced, together with considerations on the coating material and handling on construction sites. By presenting several experimental tests in the laboratory and the field, the feasibility of the system for monitoring of the structural health of river embankments is confirmed. With the advancements achieved within this work, the BOFDA technique meets the specifications in accuracy and resolution of state-of-the-art BOTDA devices, while offering new perspectives in terms of dynamic range, robustness and cost efficiency. T3 - BAM Dissertationsreihe - 64 KW - Stimulated Brillouin scattering KW - Frequency domain analysis KW - Dike monitoring KW - Structural health monitoring KW - Distributed Brillouin sensing PY - 2010 UR - https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:kobv:b43-948 SN - 978-3-9813550-7-9 SN - 1613-4249 VL - 64 SP - 1 EP - 157 PB - Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) CY - Berlin AN - OPUS4-94 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - CONF A1 - Hille, Falk A1 - Said, Samir A1 - Schmid, Wolfgang T1 - Lasteinwirkung- und Zustandsüberwachung von großen Spannbetonbrücken T2 - Messen im Bauwesen 2013 - Ingenieuraufgaben und messtechnische Lösungen N2 - Die dauerhafte messtechnische Überwachung von Brückenbauwerken ist nach wie vor eine neuartige Verfahrensweise zur Bestimmung des Ist-Zustandes von Tragwerken. Der Fachbereich 7.2 Ingenieurbau der BAM befasst sich seit mittlerweise mehr als 25 Jahren mit der Entwicklung von Methoden und Verfahren dieser Form der Bauwerksüberwachung. Die damit verbundene Tätigkeit umfasst die Beschreibung theoretischer Grundlagen, die Entwicklung von Algorithmen zur Erfassung, Bearbeitung und Auswertung von Messsignalen, die Bewertung der Ergebnisse bezüglich Tragsicherheit, Gebrauchstauglichkeit und Restnutzungsdauer und nicht zuletzt die Untersuchung und Verifizierung der praktischen Anwendbarkeit. Dabei standen insbesondere die sogenannten dynamischen Verfahren im Blickpunkt der Aktivitäten. Ursprünglich zur Überwachung von rotierenden Maschinenkomponenten entwickelt und dann auch erfolgreich zur Überwachung von Bauteilen der Flugzeug-, Raumfahrt- und Automobilindustrie weiterentwickelt, weckten diese Verfahren weltweit das Interesse der sich mit der Sicherheit bestehender Baukonstruktionen befassenden Wissenschaftler und Ingenieure. Ein beachtenswertes Projekt der BAM in diesem Zusammenhang ist die Dauerüberwachung der Westendbrücke in Berlin, das Mitte der 90er Jahre von der damaligen Senatsverwaltung für Stadtentwicklung von Berlin (ehemals Bauen, Wohnen und Verkehr) in Auftrag gegeben und über viele Jahre gefördert wurde. Im Rahmen dieses Aufsatzes werden am Beispiel dieses Projektes, das sich wie ein roter Faden durch die Entwicklungsgeschichte des Monitorings an der BAM zieht, die Motivationen und Zielstellungen dargelegt, das Überwachungssystem vorgestellt und die gemachten Erfahrungen anhand einiger Ergebnisse erläutert. In einem weiteren Kapitel wird ein Ausblick auf die Zukunft des Monitorings mit angepassten Zielvorstellungen, neuen Methodiken und Strategien geworfen. T2 - Messen im Bauwesen 2013 - Ingenieuraufgaben und messtechnische Lösungen CY - Berlin, Germany DA - 12.03.2013 KW - Structural health monitoring KW - Spannbetonbrücken KW - Westendbrücke PY - 2013 SN - 978-3-9815360-5-8 SP - 107 EP - 119 AN - OPUS4-28070 LA - deu AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Bertovic, Marija A1 - Calmon, P. A1 - Carter, L. A1 - Fischer, J. A1 - Forsyth, D. A1 - Holstein, R. A1 - McGrath, B. A1 - Müller, Christina A1 - Pavlovic, Mato A1 - Ronneteg, U. A1 - Rummel, W. A1 - Schubert, F. A1 - Selby, G. T1 - Summary of the "open space technology discussions" on reliability of NDE JF - Materials testing N2 - Since the beginnings of the European American Workshops (EAW) in 1997, the aim was to gather the experts in NDE reliability and discuss burning topics with the aim of identifying crucial problems and suggesting ways to move forward. This was usually achieved during the so-called break-out sessions, in which predetermined topics were discussed. During the 5th EAW, held in Berlin in 2013, this approach was replaced by an Open Space Technology (OST) approach. The benefit of this approach is seen in the freedom of topic choices, i. e., the topics are not predetermined but rather arise at that moment in that space and by the participants’ choice. The following topics arose: new reliability methods (Bayesian, MAPOD, …), structural health monitoring, definition of requirements of NDE by customer versus provider, what value of POD is good enough?, human factors, manual versus automated inspection, and basic concepts of reliability of NDE. The participants were encouraged to walk from one session to another and openly express their opinions. These were in the end summarized by a chosen group of moderators and presented in this paper. N2 - Seit den Anfängen der europäischen amerikanischen Workshops (EAW) im Jahr 1997 war es das Ziel, Experten auf dem Gebiet der ZfP-Zuverlässigkeit zusammenzuführen und aktuelle Themen zu diskutieren, um wichtige Probleme zu identifizieren und Wege für deren Lösung vorzuschlagen. Dies wurde in der Regel während der sogenannten „Break-out Sessions“ erreicht, in denen vorgegebene Themen diskutiert wurden. Während des 5. EAW, der in Berlin im Jahr 2013 stattfand, wurde dieser Ansatz durch einen Open Space Technology (OST) Ansatz ersetzt. Open Space ist eine Methode der Gruppenmoderation, die sehr gut geeignet ist, um neue Ideen zu entwickeln und selbstständiges Arbeiten zu fördern, d. h. die Themen werden nicht vorgegeben, sondern ergeben sich in diesem Moment in diesem Raum und durch die Wahl der Teilnehmer. Die folgenden Themen wurden herausgearbeitet: neue Zuverlässigkeitsmethoden (Bayes, MAPOD, ...…), Structural Health Monitoring, Definition von Anforderungen der Kunden gegenüber den ZfP-Anbietern, Welcher Wert der POD ist gut genug?, der Einfluss menschlicher Faktoren, manuelle gegenüber automatisierte Prüfung, sowie Grundkonzepte der ZfP-Zuverlässigkeit. Die Teilnehmer wurden aufgefordert, von einer Sitzung zur anderen zu wechseln und offen ihre Meinung zu äußern. Diese Meinungen wurden am Ende von einer ausgewählten Gruppe von Moderatoren zusammengefasst und werden in diesem Beitrag vorgestellt. KW - NDE reliability KW - POD KW - Bayesian approach KW - Structural health monitoring KW - Human factors KW - Open space technology PY - 2014 UR - http://www.hanser-elibrary.com/doi/pdf/10.3139/120.110604 DO - https://doi.org/10.3139/120.110604 SN - 0025-5300 VL - 56 IS - 7-8 SP - 602 EP - 606 PB - Hanser CY - München AN - OPUS4-31269 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER - TY - JOUR A1 - Müller, Christina A1 - Holstein, R. A1 - Bertovic, Marija T1 - Conclusions of the 5th European American workshop on reliability of NDE JF - Materials Testing N2 - The tradition of discussing the newest achievements in the consideration of NDE reliability was continued with the 5th European American Workshop on Reliability of NDE (5th EAW) in Berlin in 2013. The Focus of this workshop was to determine the 'delta' between the laboratorylike conditions, in which reliability assessments are usually carried out, and the everyday field conditions. Which obstacles need to be still overcome and how do we get closer with our estimations to the real field reliability? With the joint effort of international researchers and in-field practitioners the up-to-date research was presented and discussed, culminating in a half-a-day long 'Open Space Technology' discussion. This paper presents the main conclusions of the workshop. N2 - Die Diskussion der neuesten Erkenntnisse zur Zuverlässigkeit in der ZfP, wurden auf dem 5. Europäisch-Amerikanischen Workshop 2013 in Berlin traditionell fortgesetzt. Besonderes Augenmerk galt dabei, die Unterschiede zwischen unter Laborbedingungen durchgeführten Zuverlässigkeitsuntersuchungen und den tatsächlichen vor-Ort-Bedingungen zu untersuchen. Im Mittelpunkt der Diskussionen stand die Frage, welche Schwierigkeiten überwunden werden müssen, um bei den Zuverlässigkeitsanalysen die realen Bedingungen näher erfassen zu können. Gemeinsam haben Wissenschaftler und Praktiker den aktuellen Stand der Forschung in einer halbtägigen Open Space Diskussion besprochen. In diesem Beitrag werden die wesentlichen Schlussfolgerungen des Workshops zusammengefasst. KW - NDE reliability KW - POD KW - Bayesian approach KW - Structural health monitoring KW - Human factors KW - Open space technology PY - 2014 UR - http://www.hanser-elibrary.com/doi/pdf/10.3139/120.110603 DO - https://doi.org/10.3139/120.110603 SN - 0025-5300 VL - 56 IS - 7-8 SP - 599 EP - 601 PB - Hanser CY - München AN - OPUS4-31273 LA - eng AD - Bundesanstalt fuer Materialforschung und -pruefung (BAM), Berlin, Germany ER -