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Organisationseinheit der BAM
- 8 Zerstörungsfreie Prüfung (8)
- 8.6 Faseroptische Sensorik (7)
- 8.1 Sensorik, mess- und prüftechnische Verfahren (4)
- 6 Materialchemie (2)
- 6.7 Materialsynthese und Design (2)
- 3 Gefahrgutumschließungen; Energiespeicher (1)
- 3.0 Abteilungsleitung und andere (1)
- 7 Bauwerkssicherheit (1)
- 7.1 Baustoffe (1)
- 7.4 Baustofftechnologie (1)
The project "SealWasteSafe" of the Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM, Berlin) deals with sealing structures applied for underground disposal of nuclear waste from two perspectives: (1) material improvement for application in sealing constructions and (2) feasibility study regarding multi-sensor approaches to ensure quality assurance and long-term monitoring.
One specimen of 150 l made of alkali-activated material, which was found innovative and suitable for sealing constructions based on preliminary laboratory studies, and, for comparison purpose, another one made of salt concrete, are manufactured with an integrated multi-sensory setup for quality assurance and long-term-monitoring. The specimens were left in their cast form and additionally thermally insulated to simulate the situation in the repository. The multi-sensory concept comprises RFID technology embedded in the specimens suppling material temperature and moisture measurements, integrated fibre optic sensing allowing strain measurement and acoustic emission testing for monitoring possible crack formation. Overall, the suitability and the functionality of the sensors embedded into and attached to strongly alkaline (pH > 13 for the AAM) and salt corrosive (NaCl) environment was proven for the first 672 h.
First temperature measurement based on RFID succeeded after 626 h for the alkali-activated material and after 192 h for the conventional salt concrete. Strain measurement based on distributed fibre optic sensing turned out the alkali-activated material with > 1 mm m-1 undergoing approximately twice the compression strain as the salt concrete with strains < 0.5 mm m-1. In contrast, the acoustic emission first and single hits representing crack formation in numbers, was found for alkali-activated material half of that detected at the salt concrete.
In Glasfasern eingeschriebene Bragg-Gitter (FBG: fibre-based Bragg gratings) sind über die Verschiebung der Bragg-Wellenlänge in der Lage, Stauchungen und Dehnungen von Glasfasern hochgenau zu erfassen. In Kompositwerkstoffe eingebettete faseroptische Sensoren können Bauteile bezüglich ihrer mechanischen Integrität überwachen und früh-zeitig Informationen über Materialveränderungen gewinnen.
Um die Zuverlässigkeit eines solchen Sensors zu gewährleisten, ist es wichtig, die korrekte Funktion des Sensors im Verbund mit der Werkstoff-Matrix on-line und in-situ sicherzu-stellen. Im Rahmen des DFG-Projekts FAMOS² (FAser-basierter Magneto-Optischer SchichtSensor) wurde ein selbstdiagnosefähiger Schichtsensor entwickelt, der mit Hilfe von magnetostriktiven Aktorschichten aus Nickel bzw. Eisen-Nickel validiert werden kann.
Der FAMOS²-Schichtsensor wird durch ein PVD (physical vapour deposition)/ECD (electro-chemical deposition) Hybridschichtsystem realisiert, das auf dem Fasermantel im Bereich des FBG haftfest, homogen und langzeitfunktional abzuscheiden ist. Dabei wird in einem ersten Schritt ein etwa 100 Nanometer dünnes PVD-Schichtsystem aus Chrom und Kupfer als Haftvermittler auf der Glasfaser bzw. als leitfähige Startschicht für den nachfolgenden ECD-Prozess abgeschieden. Um eine rotationssymmetrische Schich-tabscheidung zu gewährleisten, erfolgt während der PVD-Beschichtung eine Rotation der Glasfasern. In einem zweiten Schritt wird dann unter Verwendung eines klassischen Watts-Elektrolyten in einer speziell entwickelten ebenfalls rotationssymmetrisch aufgebau-ten ECD-Durchströmungszelle dann die etwa 30 Mikrometer dicke, magnetostriktive Ak-torschicht auf dem PVD-Schichtsystem abgeschieden, im Vergleich sowohl reine Nickel-Schichten als auch Nickel-Eisen-Schichten.
Ein äußeres Magnetfeld dehnt die magnetostriktive Aktorschicht und damit auch die Faser reversibel. Diese Dehnung führt zu einer Verschiebung der Bragg-Wellenlänge, welche direkt mit der Stärke eines zu messenden oder zu Validierungszwecken vorgegebenen Magnetfeldes korreliert. Die Anpassung der Beschichtungsverfahren an die Fasergeome-trie und die mechanischen Eigenschaften der Hybridschichten werden hinsichtlich der me-chanischen Integrität des faseroptischen Sensors diskutiert und der Nachweis der Selbst-diagnosefähigkeit erbracht.
Innovative structural damage detection of bridges by least squares adjustment with constraints
(2015)
Innovative structural damage detection of bridges by least squares adjustment with constraints
(2016)
Long-term monitoring of bridges requires the early detection of spreading damage because very often the damage is not really visible. For many decades engineers and scientists relayed on dynamic methods especially modal ones. However, after fundamental tests by the U.S. FHWA in 1993, it became evident that more successful methods should be developed, but no innovation really happened. A substantial innovative detection method started four years ago from Lagrange Multiplier Testing which eventually resulted in experimental verification based on measurement of deflection and curvature of the bridge beam and together the methodological combination of both.
Mit einem auf Lagrange-Multipiikator-Tests basierenden Monitoring von Brücken ist es gelungen, in Belastungsversuchen an einer Holzbrücke (7,25 m Spannweite), an der relativ kleine Schädigungen künstlich herbeigeführt worden waren, die Zuverlässigkeit dieser Art des Monitorings zu bestätigen. Ausgangspunkte waren Messung von Durchbiegungen sowie Krümmungen und die Zusammenführung der jeweiligen Regression mit Nebenbedingungen, die den mechanischen Bedingungen gehorchen, unter Einschluss von Lagrange-Multiplikatoren, die sich als brauchbare Testparameter erwiesen.
Health monitoring von größeren Strukturen erfordert die Betrachtung der gesamten Struktur, indem sowohl jener Bereich, der experimentell behandelt wird, als auch derjenige, der einer analytischen mechanischen Untersuchung unterzogen wird, in einem Gesamtzusammenhang erfasst wird. Die umfassende Behandlung des Problems gelingt dann in einer Gesamtmatrix, die im Beitrag vorgestellt wird. Auf eine Erweiterung der Methode zur Detektierung anwachsender Schädigungen wird hingewiesen.
Fibre-reinforced plastics (FRP) especially carbon-fibre-reinforced polymer (CFRP) and glass-fibre-reinforced polymer (GFRP) are commonly used materials in high pressure vessels and storage units for automotive and aerospace purposes. Optical fibres are suitable to be integrated or directly applied to the surface of FRP components. Using optical fibres it is possible to monitor the distributed strain profiles and changes within the fatigue life of a pressure vessel to ensure the operational safety. Within artificial ageing experiments we used swept wavelength interferometry (SWI) based distributed strain sensing for the monitoring of commercial high-pressure composite cylinder. This artificial ageing was performed using test conditions of 503bar pressure load (service pressure 300 bar) and 89 °C for 100 h. The polyimide coated optical fibres were glued to the surface externally in circumferential and axial direction. Using distributed strain sensing (DSS) material expansion of over 0.5% were monitored with sub-centimetre spatial resolution. Within the circumferential direction we observed up to 10 % local fluctuation compared to the median strain caused by inhomogeneous material expansion, which could cause local material fatigue. In addition, we determined material degradation manifested itself as localized remaining material expansion and/or contraction. Results have been validated by other non-destructive methods like digital strip projection.
Movements in geological areas are often caused by shear zones deep in the underground or by hardly observable slipping zones. Detection of movements reaching critical values is of crucial importance to avoid losses and harms. Optical sensor fibers with gauge lengths of several meters or even distributed fiber-optic sensors with gauge lengths of hundreds of meters allow detecting deformation of such zones with quite good resolution. The paper presents a new technology of detecting deformations and movements in soil or rock massifs. The core part of the sensing system is a tiny pultruded rod with an outer diameter of 3 mm to 6 mm. It contains two fiber-optic sensor systems. One sensor system is used for permanent online measurement and provides integral strain information along the whole length of the rod; in case of critical deformations, it provides a warning signal. The second sensing system uses fiber-optic Bragg grating (FBG) strain sensors located close to the expected shear zone. This measurement system will be activated after the warning signal has been initiated by the integral strain measurement system. The FBG strain sensor system records then resulting deformations in detail. The sensing rod containing both sensor systems can be installed in a borehole to detect beginning soil movements automatically. The electronic equipment is powered by a solar panel; the amount of deformation in soil or rock formations can be estimated from the strain change measured in the sensor fibers. The effectiveness of this warning system will be shown using the example of a critically sliding slope in an open brown coal pit in Germany.