Keď vám DFOS senzor skončí v betóne — prípadová štúdia nasadenia

Rozložené optické vlákno (DFOS) sa dá do betónového prvku vložiť pri výrobe aj dodatočne. Oba postupy fungujú — a oba majú podrobnosti, ktoré nebývajú v odbornej literatúre. Prípadová štúdia reálneho nasadenia: od návrhu trasy a kotvenia, cez prípravu vlákna a liatie, až po prvý interrogátor na stavbe a interpretáciu údajov po roku prevádzky.

Abstrakt

Rozložené optické senzory (DFOS) sú v odbornej literatúre dobre popísané — publikovaných je stovky prípadových štúdií, výsledkov z laboratórnych meraní a koncepčných návrhov. Výrazne menej je zdokumentované, čo sa skutočne stane, keď takýto senzor opustí laboratórium a skončí v konkrétnom betónovom prvku v konkrétnom projekte. Táto prípadová štúdia je spísaná z pozície inžiniera, ktorý má jeden hotový rok prevádzky za sebou — čiže ešte si pamätá podrobnosti, ale už vidí, čo bolo rozhodujúce a čo bolo len obavou. Zámerne nejde o reklamný text výrobcu ani o výskumnú správu bez detailov. Píšeme konkrétne, s číslami a bez obhajoby rozhodnutí, ktoré sa ukázali ako nesprávne.

Kľúčové slová: DFOS, optické vlákno v betóne, Rayleigh OFDR, monitoring konštrukcií, prípadová štúdia, stavebný monitoring, inžinierska geodézia, SHM.

1. Zadanie

Objektom monitoringu je nový betónový pilier mosta v Žilinskom kraji, projekčne dimenzovaný na životnosť 100 rokov. Prevádzkovateľ chcel okrem štandardných periodických meraní (inklinometria, geodézia) kontinuálne dáta o pozdĺžnej deformácii piliera v troch kritických prierezoch — na úrovni základu, v strede výšky a tesne pod pätkou mostovky.

Vstupné podmienky:

• Pilier výšky 24 m, obdĺžnikový prierez 2,4 × 1,8 m, betónová trieda C40/50.
• Výstuž podľa Eurokódu, hlavná výstuž pozdĺžna, hustota v krytí 70 mm.
• Očakávaná presnosť merania deformácie: ±5 µε v statickom režime, s teplotnou kompenzáciou.
• Prístup k dátam v reálnom čase, s dennou agregáciou a výstrahou pri prekročení prahov.
• Rozpočet na inštrumentáciu zodpovedajúci rozsahu nových metód — nie neobmedzený.

Projekt mal dve špecifiká, ktoré neskôr ovplyvnili výber riešenia: betónovanie v zimnom období (december, priemerná vonkajšia teplota −3 °C) a požiadavka na úplnú redundanciu meracieho reťazca pre strednú časť piliera, kde oprava v prevádzke nebude možná.

2. Rozhodnutie: DFOS alebo konvenčné tenzometre

Pôvodný projekt počítal s inštaláciou 24 tenzometrov na výstuž v troch úrovniach. Dôvody prechodu na DFOS:

• Kontinuálne dáta namiesto bodových. 24 bodov v piliere s rozmerom 24 m znamená jeden bod na meter. Pri potenciálnom lokálnom defekte (dutina v betóne, odchýlka v krytí) je šanca, že leží medzi dvoma susednými snímačmi, netriviálna. DFOS s rozdelením 1 cm pokrýva celú trasu.
• Jedna leading-in trubka namiesto 24. Pri 24 individuálnych tenzometroch potrebuje každý svoj kábel vedený cez debnenie až k ústrednému boxu. Pri DFOS je to jeden výstup.
• Žiadne elektromagnetické rušenie. Pilier je v blízkosti VN vedenia (110 kV, cca 60 m); pri klasických DMS by sme museli riešiť tienenie.
• Prognóza životnosti. DMS by sme museli meniť každých 10–15 rokov; polyimidová DFOS vlákno sa z literatúry dokumentuje na 30+ rokov v betónovom prostredí.

Riziko, ktoré sme preberali: žiadny tím v mojom okolí ešte neinštaloval DFOS v tomto konkrétnom type pilierovej konštrukcie v slovenských podmienkach, s dodávateľom betónu zvyknutým na klasické DMS. To bolo rozhodnutie o jeden stupeň rizikovejšie, než by si zvolil opatrný projektový manažér — a vedome prijaté.

3. Návrh trasy vlákna

3.1 Topológia

Zvolili sme slučkovú topológiu (loop-back): vlákno vchádza do piliera cez horný prírubový bok, prechádza všetky tri meracie úrovne, otočí sa v spodnej úrovni a vracia sa po druhej strane piliera späť k interrogátoru. V troch meracích úrovniach vlákno obalí celý obvod piliera (6-metrová slučka na každej úrovni), v medzizónach prechádza rovno hore-dole.

Celková dĺžka vlákna v piliere: 94 metrov. Dĺžka pripojovacích vlákien k interrogátoru umiestnenému v dátovom domčeku pri päte piliera: 15 metrov na každú stranu.

3.2 Kotvenie k výstuži

Vlákno sme kotvili plastovými príchytkami k pozdĺžnej hlavnej výstuži, s rozstupom 300 mm v meracích zónach a 500 mm v tranzitných úsekoch. Priamy kontakt s rebrom výstuže nie je žiadaný — mikropohyby pri hydratácii betónu by mohli vytvoriť ťažkú lokálnu deformáciu — takže medzi vláknom a výstužou je 2–3 mm medzera udržovaná priechytkou.

Orientácia vlákna: pozdĺžne, paralelne s hlavnou výstužou. Priečna orientácia by bola potenciálne lepšia pre detekciu horizontálnych trhlín, ale pre pozdĺžne deformácie by bola horšia.

3.3 Vstup a výstup vlákna z prvku

Dva priechody debnením sú riešené kovovou prípojkou s pevne osadenou PE kapilárou (Ø 10 mm vonku, Ø 4 mm vnútri), ktorá je nalepená do debnenia tesniacim tmelom pred liatím. Vlákno v kapiláre prechádza voľne, s pridaným strain reliefom na vonkajšej strane debnenia (silikónová priechodka s pevným úchytom).

Toto bol detail, ktorý sme riešili najdlhšie v prípravnej fáze. Priechod je štatisticky najčastejší bod zlyhania DFOS inštalácie. V tomto projekte sa pri skúšobnej simulácii zlomilo prvé vlákno práve na priechode cez debnenie, pretože debnár pri odbednení otočil debnenie nesprávnym smerom. Po tejto skúsenosti sme pridali explicitný procesný krok — pred odbednením sa vlákno uvoľní zo svojej vonkajšej úchytky, aby sa pri odstraňovaní debnenia neťahalo.

4. Príprava a inštalácia

4.1 Typ vlákna a plášťa

Polyimidovo potiahnuté SMF-28 kompatibilné vlákno, celkový priemer 155 µm. Pre betónové prostredie sme sa rozhodli explicitne proti akrylátovému povlaku — alkálie v pórovom roztoku betónu (pH 12–13) by akrylát degradovali rýchlejšie, než sú požadované desaťročia prevádzky.

Konektorovanie: dva FC/APC konektory na vonkajších koncoch, žiadne vnútorné spoje. Spoje v betóne sú riziko, ktorému sme sa vyhli jednoliatosťou vlákna cez celú trasu.

4.2 Protokol liatia

Betónovanie prebiehalo 15. decembra, vonkajšia teplota −5 °C ráno, −2 °C popoludní. Zimné podmienky znamenali:

• Betón so zrýchleným tuhnutím (prísada SPB), hydratačná teplota v jadre piliera dosahovala +32 °C pri vonkajšej −2 °C.
• Vlákno v tomto gradientom poli zažívalo rýchlu lokálnu zmenu dĺžky — záznam z interrogátora počas prvých 72 hodín po liatí vykazuje charakteristickú „krivku hydratácie”, s amplitúdou do 300 µε, ktorá sa postupne vracia k nule.
• Výška padu betónu obmedzená na 0,5 m, aby sa znížila riziková dynamická záťaž na vlákno.
• Vibrovanie v okolí vlákna bolo riešené dvoma špirálami odstupu — vibrátor sa nedostal bližšie ako 150 mm od vlákna. V praxi: debnári dostali inštrukciu a jeden z inžinierov stavby bol prítomný celý čas betónovania.

Tri drobné odchýlky od plánu, ktoré sa stali:

1. Priechodka na jednom konci bola osadená s mikrotrhlinou v tesnení; betón mierne vytiekol a vlákno sa pretlačilo o 2 cm. Pretlak sa odstránil pri rannom overení pred stvrdnutím betónu, bez vplyvu na funkciu.
2. Jeden z debnárov nalepil časť piliera dodatočnou izoláciou (polystyrén) na strane VN vedenia, aby znížil tepelnú stratu. Táto zmena nebola komunikovaná dopredu a znamená, že tepelný profil v tej časti piliera je iný, než model predpokladá.
3. Technik interrogátora zabudol ponechať referenčný bod meraný pred liatím pre jeden z meracích prierezov. Výsledok: pre tento prierez nemáme absolútnu baseline a všetky dáta sú relatívne k meraniu po 7 dňoch hydratácie.

4.3 Prvá kontrola po odbednení

Odbednenie prebehlo po 10 dňoch. OTDR trace ukázal:

• Celková dĺžka vlákna: zhoda s projektovou dĺžkou do 5 cm.
• Útlm: 0,25 dB/km navyše oproti referencii pred liatím — zodpovedá niekoľkým zvýšeným ohybovým stratam v slučkách; v akceptovateľnom pásme.
• Žiadne „schody” v OTDR trace, čo by indikovali zlom alebo bodové poškodenie.

Vlákno prežilo liatie bez poruchy — čo nie je samozrejmosť. Z našich príprav sme počítali s pravdepodobnosťou 85 % úspechu; získaný výsledok nás potešil.

5. Prvé meranie

Nulové meranie sme vykonali po 14 dňoch od odbednenia, pri stabilizovanej teplote betónu (gradient v jadre menší ako 2 °C). Interrogátor LUNA ODiSI 6100 bol kalibrovaný pred inštaláciou v laboratóriu, s rozšírenou neistotou ±1,5 µε (k=2).

Kalibračná krivka: pri porovnávacom zaťažení (nad pilier bola dočasne položená známa hmotnosť 180 ton v prvej skúšobnej jazde) sme merali deformáciu v najhornejšom prieraze. Očakávaná hodnota z MKP modelu: 42 µε. Nameraná hodnota DFOS: 44 µε. Súlad v rámci neistoty merania.

Teplotná kompenzácia: vo štvrtom (necelom) prechode slučkou sme ponechali 2 m vlákna v loose kapiláre (bez mechanického kontaktu k betónu) — toto je referenčná dummy sekcia pre separáciu teploty od deformácie. Rozdiel medzi aktívnym a referenčným signálom je čistou deformáciou.

6. Prevádzka — čo sa dialo rok

6.1 Teplotná odozva v sezónach

Pilier v slovenskej klíme zažil v prvom roku prevádzky:

• Zima (december–február): teplotné minimum −12 °C na povrchu, −2 °C v jadre; indukovaná teplotná „deformácia” (zdanlivá, odstránená kompenzáciou) dosahovala až −120 µε v povrchových častiach, −30 µε v jadre.
• Jar (marec–máj): cyklické denné výkyvy ±8 °C na povrchu, s charakteristickou dennou sínusoidou v DFOS signáli.
• Leto (jún–august): teplotné maximum +42 °C na slnečnej strane piliera, +28 °C v tienenej strane. Rozdiel medzi dvoma stranami tej istej úrovne piliera: 55 µε teplotnej „deformácie”.
• Jeseň (september–november): návrat k podobnému režimu ako jar.

Teplotná kompenzácia funguje za predpokladu, že referenčná dummy sekcia je skutočne izotermická s aktívnou sekciou. Ukázalo sa, že v letnom slnečnom režime je dummy sekcia na tienenej strane o 2–3 °C chladnejšia ako aktívna sekcia na slnečnej strane — teplotná kompenzácia preto podstreľuje v letnom popoludnie, s chybou odhadovanou na 15–20 µε. Pre budúcu inštaláciu by sme umiestnili dummy sekciu v blízkom okolí každej aktívnej úrovne, nie v jedinom bode.

6.2 Odozva na dopravné zaťaženie

Po otvorení mosta sme merali dynamickú odozvu piliera na prejazdy ťažkých vozidiel. Pri scan-rate 10 Hz je DFOS schopný zachytiť jednotlivé prejazdy ťažkej dopravy; amplitúda odozvy je 3–8 µε, čo je o rád menej ako teplotné rušenie, ale cez spracovanie v časovom okne (filter cez 1-sekundové agregáty) sa javí ako jasný signál.

6.3 Prvé mikrotrhliny

Po 7 mesiacoch prevádzky sa v DFOS signáli objavila lokálna anomália v strednom meracom priereze — stabilná zvýšená deformácia o 25 µε na dĺžkovom úseku cca 8 cm. Vizuálna kontrola z plošiny potvrdila mikrotrhlinu v krytí, cca 0,05 mm široká, orientovaná priečne na pozdĺžnu os piliera.

Trhlina je v projektových limitoch (prípustná je šírka do 0,1 mm) a nemá vplyv na statickú bezpečnosť piliera. Detekcia bola o 6 týždňov skôr, ako by ju odhalila najbližšia plánovaná vizuálna kontrola — čo je presne ten typ zisku, pre ktorý sme DFOS zvolili.

7. Čo sme nečakali

• Lokálne zvýšenie útlmu v mesiaci marec. V jednom bode slučky sa útlm zvýšil o 1,2 dB — nad hranicou prípustnosti. Pri opakovanej vizuálnej inšpekcii sa ukázalo, že na tomto mieste bola pri odbednení drobná odchýlka v krytí vlákna — zvýšený lokálny tlak od okolitého betónu. Útlm nevyriešiteľný, ale meranie v okolí tohto bodu zostáva funkčné; stratili sme spoľahlivosť na úseku cca 20 cm.
• Drift interrogátora v letnom horúcom plášti dátového domčeka. Vonkajšia teplota v dátovom domčeku dosahovala v júli +41 °C. Interrogátor LUNA je špecifikovaný do +45 °C, ale pri prevádzke blízko hornej hranice vykazoval drift absolútnych hodnôt deformácie o 8 µε nad týždeň. Rozhodli sme sa pridať klimatizáciu domčeka — náklad, s ktorým sme nerátali v pôvodnom rozpočte.
• Vplyv alkálií betónu na starnutie plášťa. Po 10 mesiacoch sme v OTDR trace začali vidieť postupné zvyšovanie útlmu o 0,02 dB/mesiac — konzistentné s predpokladanou degradáciou polyimidu v alkalickom prostredí, ale rýchlejšie, než sa z laboratórnych meraní odhadovalo. Extrapolácia naznačuje, že po 15 rokoch bude útlm dvojnásobný oproti počiatočnému stavu. Toto nebude znamenať koniec merania — tolerancia interrogátora je väčšia — ale je to pripomienka, že životnosť 30+ rokov je optimistická, nie zaručená.

8. Interpretácia

8.1 Rozlíšenie teplota ↔ deformácia

Kompenzačná slučka v loose kapiláre spolu s nezávislým meraním teploty cez štyri termočlánky v troch priereztach zabezpečuje spoľahlivé oddelenie mechanickej deformácie od tepelnej. Pre rutinné interpretácie používame zjednodušený model: pre každú meraciu úroveň je teplotná kompenzácia založená na vážení dummy sekcie a najbližšieho termočlánku s koeficientom 0,7 : 0,3 (empiricky overené).

8.2 Prevod zo signálu na stav konštrukcie

Z µε na „stav konštrukcie” vedie dvojstupňová interpretácia:

1. Štatistická norma. Dáta prvých 90 dní prevádzky slúžia ako referenčný stav. Odchýlky nad 2σ v akomkoľvek úseku dlhom aspoň 50 mm sú flagované.
2. Vysvetľujúci model. Flagovaná anomália sa interpretuje modelom šírenia poškodenia (adaptovaný fib Model Code), ktorý odhaduje šírku a hĺbku predpokladanej trhliny s intervalom neistoty.

Kombinácia je dostatočná pre operatívne rozhodnutia (potreba vizuálnej inšpekcie, rozsah opravy), nenahrádza projektovú tím pre strategické rozhodnutia (koniec životnosti, zásadná rekonštrukcia).

9. Čo by sme spravili inak

Bod po bode, bez obhajoby:

1. Umiestnili by sme dummy teplotnú sekciu v blízkosti každej aktívnej úrovne, nie v jedinom bode. Chyba kompenzácie v letnom režime by bola polovičná.
2. Klimatizácia dátového domčeka by bola v rozpočte od začiatku.
3. Nechali by sme referenčný bod meraný pred liatím pre každý prierez. Pokyn by bol písomne daný technikovi interrogátora pred prácou, nie len ústne.
4. Debnár by dostal písomný návod pre odbednenie v okolí vlákna, nie len ústnu inštruktáž.
5. Pridali by sme redundantné paralelné vlákno v strednom meraciom priereze — kde oprava nie je možná.
6. Rozšírili by sme nulové meranie aspoň na 14 dní (nie 7), aby sa stabilizovala hydratačná odozva betónu pod úroveň rozlíšiteľnosti.

10. Záver

DFOS v betóne funguje. Technológia je zrelá, vlákno prežilo liatie, dáta sú interpretovateľné, lokálne mikrotrhliny sa detegujú skôr než vizuálnou inšpekciou. Celý zisk z projektu — rok rýchlejšia detekcia prvej vlasovej trhliny, kontinuálny teplotno-deformačný profil celého piliera — stojí za vynaloženú energiu.

Ten zisk ale nestojí na správnom výbere technológie, ten je dnes samozrejmý. Stojí na dvadsiatich detailoch, z ktorých polovica sa dá pochopiť len po prvej inštalácii: priechody debnením, kotvenie priechytiek, komunikácia s debnármi, umiestnenie referenčnej teplotnej slučky, klimatizácia dátového domčeka, procesný krok pred odbednením. Žiadny z týchto detailov nie je kritickou prekážkou — ale každý z nich vie potichu znížiť kvalitu merania, kým človek nezacíti, že musí ísť pozrieť na pilier a overiť si to osobne.

Toto je presne charakter inštalácie, pre ktorý sa oplatí prvý projekt urobiť so skúseným partnerom. Druhý projekt sa už dá viesť interne.

IOAS sprevádza stavebné projekty pri inštrumentácii DFOS v betónových konštrukciách, od návrhu trasy a kalibrácie až po dlhodobú interpretáciu údajov. Pre otázky: director@ioas.pro.

Literatúra

[1] Barrias, A.; Casas, J. R.; Villalba, S. (2016): A Review of Distributed Optical Fiber Sensors for Civil Engineering Applications. Sensors 16(5), 748. DOI: 10.3390/s16050748.

[2] fib Bulletin 86: Monitoring and Safety Evaluation of Existing Concrete Structures. International Federation for Structural Concrete, 2017.

[3] Siwowski, T.; Rajchel, M.; Howiacki, T.; Sieńko, R.; Bednarski, Ł. (2021): Distributed fibre optic sensors in FRP composite bridge monitoring: Validation through proof-load test. Engineering Structures 246, 113048. DOI: 10.1016/j.engstruct.2021.113048.

[4] Henault, J.-M.; Quiertant, M.; Delepine-Lesoille, S.; Salin, J.; Moreau, G.; Taillade, F.; Benzarti, K. (2012): Quantitative strain measurement and crack detection in RC structures using a truly distributed fiber optic sensing system. Construction and Building Materials 37, 916–923. DOI: 10.1016/j.conbuildmat.2012.05.021.

[5] Her, S.-C.; Huang, C.-Y. (2011): Effect of Coating on the Strain Transfer of Optical Fiber Sensors. Sensors 11(7), 6926–6941. DOI: 10.3390/s110706926.

[6] López-Higuera, J. M.; Rodríguez Cobo, L.; Quintela Incera, A.; Cobo, A. (2011): Fiber Optic Sensors in Structural Health Monitoring. Journal of Lightwave Technology 29(4), 587–608. DOI: 10.1109/JLT.2011.2106479.

[7] Bao, X.; Chen, L. (2012): Recent Progress in Distributed Fiber Optic Sensors. Sensors 12(7), 8601–8639. DOI: 10.3390/s120708601.

[8] Casas, J. R.; Cruz, P. J. S. (2003): Fiber Optic Sensors for Bridge Monitoring. Journal of Bridge Engineering 8(6), 362–373. DOI: 10.1061/(ASCE)1084-0702(2003)8:6(362).

[9] Deng, L.; Cai, C. S.; Barbato, M.; Chen, X. (2010): Distributed Fiber Optic Strain Sensors in Reinforced Concrete Structural Monitoring: A Review. Civil Engineering Dimension 12(2), 97–106.

[10] Eurocode 2 — Design of Concrete Structures (EN 1992-1-1). CEN, European Committee for Standardization.