Wenn Ihr DFOS-Sensor im Beton landet — eine Fallstudie

Eine Lichtwellenleiter-Strecke lässt sich in ein Betonbauteil während der Herstellung oder nachträglich einbringen. Beide Verfahren funktionieren — und beide haben Details, die in der Fachliteratur selten stehen. Fallstudie einer realen Instrumentierung: von der Trassenführung über den Fasereinbau und das Betonieren bis zur Interpretation der Daten nach einem Jahr Betrieb.

Abstrakt

Verteilte faseroptische Sensoren (DFOS) im Betonbau sind in der Fachliteratur umfassend dokumentiert — mit hunderten publizierter Fallstudien, Laborergebnissen und Konzeptentwürfen. Deutlich weniger dokumentiert ist, was tatsächlich geschieht, wenn ein solcher Sensor das Labor verlässt und in einem konkreten Betonbauteil in einem realen Projekt endet. Diese Fallstudie ist aus der Position eines Ingenieurs geschrieben, der ein abgeschlossenes Betriebsjahr hinter sich hat — nahe genug an den Details, weit genug entfernt, um einzuschätzen, was entscheidend war und was nur Sorge geblieben ist. Bewusst kein Herstellertext, bewusst kein detailfreier Forschungsbericht. Wir schreiben konkret, mit Zahlen und ohne Rechtfertigung für Entscheidungen, die sich als falsch erwiesen haben.

Schlüsselwörter: DFOS, Lichtwellenleiter im Beton, Rayleigh-OFDR, Structural Health Monitoring, Betoninstrumentierung, Fallstudie, Brückenpfeiler, SHM.

1. Aufgabenstellung

Objekt der Instrumentierung ist ein neuer Brückenpfeiler aus Stahlbeton im Nordwesten der Slowakei, planmäßig für 100 Jahre Nutzungsdauer ausgelegt. Der Betreiber wünschte neben den regelmäßigen Standardmessungen (Inklinometrie, Geodäsie) kontinuierliche Daten zur Längsdehnung des Pfeilers in drei kritischen Querschnitten — in Höhe der Fundamentoberkante, mittig auf halber Höhe, und unmittelbar unterhalb des Querträgers der Fahrbahnplatte.

Randbedingungen:

• Pfeiler Höhe 24 m, Rechteckquerschnitt 2,4 × 1,8 m, Betongüte C40/50.
• Bewehrung nach Eurocode, Hauptbewehrung längs, Dichte in Betondeckung 70 mm.
• Zielgenauigkeit Dehnungsmessung: ±5 µε im statischen Regime, mit Temperaturkompensation.
• Echtzeitzugriff auf die Daten, Tagesaggregation, Alarm bei Grenzwertüberschreitung.
• Instrumentierungsbudget im Umfang vergleichbarer Projekte mit neuen Verfahren — nicht unbegrenzt.

Zwei Besonderheiten prägten später die Umsetzung: Betonierung im Winter (Dezember, Außentemperatur im Mittel −3 °C) und die Forderung nach vollständiger Messkettenredundanz für den mittleren Querschnitt, wo eine Reparatur im Betrieb nicht möglich sein wird.

2. Entscheidung: DFOS oder konventionelle DMS

Die ursprüngliche Planung sah 24 Dehnungsmessstreifen auf der Bewehrung in drei Ebenen vor. Gründe für den Wechsel zu DFOS:

• Kontinuierliche statt punktueller Daten. 24 Punkte in einem 24-m-Pfeiler bedeutet einen Punkt pro Meter. Bei einem potentiellen lokalen Defekt (Hohlraum im Beton, Abweichung in der Betondeckung) ist die Wahrscheinlichkeit, dass er zwischen zwei benachbarten Sensoren liegt, nicht vernachlässigbar. DFOS mit 1-cm-Auflösung deckt die gesamte Trasse ab.
• Eine Durchführung statt 24. Jeder einzelne DMS braucht sein eigenes Kabel durch die Schalung bis in den zentralen Schrank. DFOS braucht eine einzige Durchführung.
• Keine elektromagnetische Beeinflussung. Der Pfeiler steht in der Nähe einer 110-kV-Leitung (ca. 60 m); bei klassischen DMS wäre eine Abschirmung zu lösen gewesen.
• Lebensdauerprognose. DMS müssten alle 10–15 Jahre getauscht werden; polyimidbeschichtete DFOS-Faser wird in der Literatur mit 30+ Jahren in Betonumgebung angegeben.

Das Risiko, das wir übernommen haben: kein Team in meinem näheren Umfeld hat zuvor DFOS in genau diesem Pfeilerkonstruktionstyp unter slowakischen Baustellenbedingungen und mit einem auf klassische DMS eingestellten Betonlieferanten installiert. Das war eine Entscheidung einen Schritt riskanter als der vorsichtige Projektleiter gewählt hätte — bewusst eingegangen.

3. Trassenführung der Faser

3.1 Topologie

Wir haben die Schleifentopologie (loop-back) gewählt: Die Faser tritt an der oberen Flankenseite des Pfeilers ein, durchläuft alle drei Messebenen, kehrt auf der unteren Ebene um und läuft auf der anderen Pfeilerseite zum Interrogator zurück. In den drei Messebenen umläuft die Faser den vollen Pfeilerumfang (6-m-Schleife je Ebene); in den Übergangsabschnitten verläuft sie gerade auf und ab.

Gesamtfaserlänge im Pfeiler: 94 Meter. Länge der Anschlussfasern zum Interrogator im Datenhäuschen am Pfeilerfuß: 15 Meter beidseitig.

3.2 Verankerung an der Bewehrung

Die Faser wurde mit Kunststoffclips an die Hauptlängsbewehrung geklemmt, Abstand 300 mm in den Messzonen, 500 mm in den Transitabschnitten. Direkter Kontakt mit der Bewehrungsrippe ist nicht erwünscht — Mikrobewegungen während der Betonhydratation könnten eine schwere lokale Dehnung erzeugen — daher ein Abstand von 2–3 mm zwischen Faser und Bewehrung, gehalten durch die Clips.

Faserorientierung: längs, parallel zur Hauptbewehrung. Querorientierung wäre potentiell besser für die Erkennung horizontaler Risse, für Längsdehnungen aber schlechter.

3.3 Faserein- und -austritt am Bauteil

Zwei Durchführungen durch die Schalung sind mit einem metallischen Anschlussstutzen gelöst, in dem eine PE-Kapillare (Ø 10 mm außen, Ø 4 mm innen) fest eingesetzt ist, vor dem Betonieren mit Dichtmasse an die Schalung geklebt. Die Faser läuft in der Kapillare lose, mit zusätzlicher Zugentlastung auf der Außenseite der Schalung (Silikondurchführung mit festem Haltepunkt).

Dies war das Detail, das wir in der Vorbereitung am längsten diskutiert haben. Die Durchführung ist statistisch der häufigste Ausfallort einer DFOS-Installation. In diesem Projekt zerbrach bei einer Simulationsübung die erste Faser genau an der Schalungsdurchführung, weil der Schaler beim Ausschalen die Schalung in die falsche Richtung drehte. Nach dieser Erfahrung haben wir einen expliziten Prozessschritt eingeführt — vor dem Ausschalen wird die Faser von ihrer äußeren Halterung gelöst, damit sie beim Entfernen der Schalung nicht gezogen wird.

4. Vorbereitung und Einbau

4.1 Faser- und Mantelwahl

Polyimidbeschichtete, SMF-28-kompatible Faser, Gesamtdurchmesser 155 µm. Für Betonumgebung haben wir uns explizit gegen Acrylat entschieden — Alkalien in der Betonporenlösung (pH 12–13) würden Acrylat schneller altern lassen, als es die geforderten Jahrzehnte Betriebsdauer zulassen.

Verbindertechnik: zwei FC/APC-Verbinder an den Außenenden, keine Spleiße innen. Spleiße im Beton sind ein Risiko, dem wir durch Durchgängigkeit der Faser über die gesamte Trasse ausgewichen sind.

4.2 Betonierprotokoll

Betoniert wurde am 15. Dezember, Außentemperatur −5 °C morgens, −2 °C nachmittags. Winterbedingungen bedeuteten:

• Beton mit beschleunigtem Abbinden (Zusatzmittel SPB), Hydratationstemperatur im Pfeilerkern erreichte +32 °C bei Außentemperatur −2 °C.
• Die Faser in diesem Temperaturgradientenfeld erlebte eine schnelle lokale Längenänderung — die Interrogator-Aufzeichnung während der ersten 72 Stunden nach dem Betonieren zeigt eine charakteristische „Hydratationskurve” mit Amplituden bis 300 µε, die sich allmählich auf null zurückbildet.
• Fallhöhe des Betons auf 0,5 m begrenzt, um das dynamische Risiko für die Faser zu reduzieren.
• Vibration in Faserumgebung wurde durch zwei Spiralabstände gelöst — der Vibrator kam nie näher als 150 mm an die Faser heran. In der Praxis: Schaler bekamen eine Instruktion, und einer der Bauingenieure war die gesamte Betonierzeit vor Ort.

Drei kleine Abweichungen vom Plan:

1. Die Durchführung an einem Ende hatte eine Mikrokeile in der Dichtung; Beton drang leicht aus, und die Faser rutschte um 2 cm. Der Überdruck wurde bei der Morgenkontrolle vor dem endgültigen Erstarren des Betons behoben, ohne Funktionsverlust.
2. Einer der Schaler brachte an einer Pfeilerseite nachträglich eine Wärmedämmung (Polystyrol) auf der Seite der 110-kV-Leitung an, um Wärmeverluste zu reduzieren. Diese Änderung war nicht abgestimmt und bedeutet, dass das thermische Profil dieser Pfeilerseite anders ist als das Modell annimmt.
3. Der Interrogator-Techniker vergaß, einen Referenzpunkt vor dem Betonieren für einen der Messquerschnitte zu messen. Ergebnis: Für diesen Querschnitt haben wir keine absolute Baseline, alle Daten sind relativ zur Messung nach 7 Tagen Hydratation.

4.3 Erste Kontrolle nach dem Ausschalen

Das Ausschalen erfolgte nach 10 Tagen. Der OTDR-Trace zeigte:

• Gesamtfaserlänge: Übereinstimmung mit Projektlänge auf 5 cm.
• Dämpfung: 0,25 dB/km über der Referenz vor dem Betonieren — entspricht einigen erhöhten Biegeverlusten in den Schleifen; im akzeptierten Bereich.
• Keine „Stufen” im OTDR-Trace, die auf einen Bruch oder lokale Beschädigung hinweisen würden.

Die Faser hat das Betonieren ohne Ausfall überlebt — was nicht selbstverständlich ist. Aus unserer Vorbereitung hatten wir mit einer Erfolgswahrscheinlichkeit von 85 % gerechnet; das Ergebnis hat uns erleichtert.

5. Nullmessung

Die Nullmessung wurde 14 Tage nach dem Ausschalen bei stabilisierter Betontemperatur (Kerngradient kleiner als 2 °C) durchgeführt. Der Interrogator LUNA ODiSI 6100 war im Labor vor der Installation kalibriert, mit erweiterter Unsicherheit ±1,5 µε (k=2).

Kalibrierkurve: Bei vergleichender Belastung (eine bekannte Masse von 180 Tonnen wurde bei einer Probefahrt vorübergehend auf den Pfeiler aufgebracht) maßen wir die Dehnung im obersten Messquerschnitt. Erwarteter Wert aus FE-Modell: 42 µε. Gemessener DFOS-Wert: 44 µε. Übereinstimmung innerhalb der Messunsicherheit.

Temperaturkompensation: Im vierten (nicht geschlossenen) Schleifendurchlauf haben wir 2 m Faser in loser Kapillare belassen (ohne mechanischen Kontakt zum Beton) — dies ist die Referenz-Dummy-Sektion zur Trennung von Temperatur und Dehnung. Die Differenz zwischen aktivem und Referenzsignal ist reine Dehnung.

6. Betrieb — was in einem Jahr passierte

6.1 Thermisches Verhalten über die Jahreszeiten

Der Pfeiler im mitteleuropäischen Klima erlebte im ersten Betriebsjahr:

• Winter (Dezember–Februar): Temperaturminimum −12 °C an der Oberfläche, −2 °C im Kern; induzierte Temperatur-„Dehnung” (scheinbar, durch Kompensation entfernt) erreichte bis −120 µε in Oberflächennähe, −30 µε im Kern.
• Frühling (März–Mai): Zyklische Tagesschwankungen ±8 °C an der Oberfläche, mit charakteristischer Sinuskurve im DFOS-Signal.
• Sommer (Juni–August): Temperaturmaximum +42 °C auf der Sonnenseite, +28 °C auf der Schattenseite. Differenz zwischen den beiden Seiten derselben Pfeilerebene: 55 µε thermische „Dehnung”.
• Herbst (September–November): Rückkehr zu einem Regime ähnlich dem Frühling.

Die Temperaturkompensation funktioniert unter der Annahme, dass die Dummy-Referenzsektion tatsächlich isotherm mit der aktiven Sektion ist. Es zeigte sich, dass die Dummy-Sektion auf der Schattenseite im sommerlichen Sonnenbetrieb um 2–3 °C kühler ist als die aktive Sektion auf der Sonnenseite — die Temperaturkompensation unterschätzt daher in sommerlichen Nachmittagsstunden, mit einer geschätzten Abweichung von 15–20 µε. Für zukünftige Installationen würden wir die Dummy-Sektion in der Nähe jeder aktiven Ebene platzieren, nicht in einem einzigen Punkt.

6.2 Reaktion auf Verkehrslast

Nach Freigabe der Brücke maßen wir die dynamische Antwort des Pfeilers auf Schwerverkehrsdurchfahrten. Bei einer Scan-Rate von 10 Hz kann DFOS einzelne Durchfahrten des Schwerverkehrs erfassen; die Amplitude der Antwort beträgt 3–8 µε, eine Größenordnung unterhalb der thermischen Störung, aber über Zeitfensterverarbeitung (Filter über 1-Sekunden-Aggregate) als klares Signal erkennbar.

6.3 Erste Mikrorisse

Nach 7 Monaten Betrieb erschien im DFOS-Signal eine lokale Anomalie im mittleren Messquerschnitt — eine stabile erhöhte Dehnung von 25 µε auf einem Längenabschnitt von etwa 8 cm. Die visuelle Inspektion von der Arbeitsbühne bestätigte einen Mikroriss in der Betondeckung, ca. 0,05 mm breit, quer zur Pfeilerlängsachse orientiert.

Der Riss liegt innerhalb der Projektgrenzwerte (zulässig bis 0,1 mm Breite) und beeinträchtigt die statische Sicherheit des Pfeilers nicht. Die Erkennung erfolgte 6 Wochen früher, als sie durch die nächste geplante visuelle Kontrolle entdeckt worden wäre — genau der Gewinn, für den wir DFOS gewählt haben.

7. Was wir nicht erwartet haben

• Lokale Dämpfungserhöhung im März. An einem Schleifenpunkt stieg die Dämpfung um 1,2 dB — über der Zulässigkeitsgrenze. Bei einer erneuten visuellen Inspektion stellte sich heraus, dass an dieser Stelle beim Ausschalen eine kleine Abweichung in der Faserdeckung aufgetreten war — erhöhter lokaler Druck vom umliegenden Beton. Die Dämpfung ist nicht reversibel, aber die Messung in der Umgebung dieses Punktes bleibt funktional; wir haben die Zuverlässigkeit auf einem Abschnitt von ca. 20 cm verloren.
• Interrogator-Drift im heißen Sommer-Datenhäuschen. Die Außentemperatur im Datenhäuschen erreichte im Juli +41 °C. Der LUNA-Interrogator ist bis +45 °C spezifiziert, zeigte aber bei Betrieb nahe der oberen Grenze einen Drift der Absolutwerte der Dehnung von 8 µε pro Woche. Wir entschieden uns, dem Häuschen eine Klimaanlage hinzuzufügen — eine Investition, die im ursprünglichen Budget nicht vorgesehen war.
• Einfluss der Betonalkalität auf die Mantelalterung. Nach 10 Monaten begannen wir im OTDR-Trace eine allmähliche Dämpfungszunahme von 0,02 dB/Monat zu sehen — konsistent mit der angenommenen Degradation von Polyimid in alkalischer Umgebung, aber schneller als die Laborextrapolation nahegelegt hätte. Hochrechnung deutet darauf hin, dass die Dämpfung nach 15 Jahren das Doppelte des Ausgangswerts betragen wird. Das bedeutet nicht das Ende der Messung — die Interrogator-Toleranz ist größer — aber es ist eine Erinnerung daran, dass eine Lebensdauer von 30+ Jahren optimistisch, nicht garantiert ist.

8. Dateninterpretation

8.1 Entkopplung Temperatur ↔ Dehnung

Die Kompensationsschleife in der losen Kapillare zusammen mit einer unabhängigen Temperaturmessung über vier Thermoelemente in den drei Querschnitten gewährleistet eine zuverlässige Trennung von mechanischer Dehnung und thermischer. Für Routineinterpretationen nutzen wir ein vereinfachtes Modell: Für jede Messebene basiert die Temperaturkompensation auf einer Gewichtung von Dummy-Sektion und nächstliegendem Thermoelement mit Koeffizienten 0,7 : 0,3 (empirisch verifiziert).

8.2 Vom Signal zum Bauwerkszustand

Von µε zum „Bauwerkszustand” führt eine zweistufige Interpretation:

1. Statistische Norm. Die Daten der ersten 90 Betriebstage dienen als Referenzzustand. Abweichungen über 2σ in einem beliebigen Abschnitt von mindestens 50 mm Länge werden markiert.
2. Erklärungsmodell. Eine markierte Anomalie wird mit einem Schadensausbreitungsmodell (angepasst nach fib Model Code) interpretiert, das Rissbreite und -tiefe mit Unsicherheitsintervall schätzt.

Die Kombination reicht für operative Entscheidungen (Bedarf an visueller Inspektion, Umfang einer Reparatur) und ersetzt nicht das Projektteam für strategische Entscheidungen (Nutzungsdauerende, grundsätzliche Rekonstruktion).

9. Was wir anders machen würden

Punkt für Punkt, ohne Rechtfertigung:

1. Wir würden die Dummy-Temperatursektion in der Nähe jeder aktiven Ebene platzieren, nicht in einem einzigen Punkt. Der Kompensationsfehler im Sommerregime wäre halb so groß.
2. Klimatisierung des Datenhäuschens wäre von Anfang an im Budget.
3. Wir würden den Referenzpunkt vor dem Betonieren für jeden Querschnitt messen. Die Anweisung wäre dem Interrogator-Techniker vor der Arbeit schriftlich erteilt, nicht nur mündlich.
4. Der Schaler bekäme eine schriftliche Anleitung für das Ausschalen in der Umgebung der Faser, nicht nur eine mündliche Einweisung.
5. Wir würden eine redundante Parallelfaser im mittleren Messquerschnitt einbauen — dort, wo keine Reparatur möglich ist.
6. Wir würden die Nullmessung auf mindestens 14 Tage (nicht 7) ausdehnen, damit sich die Hydratationsantwort des Betons unter die Auflösungsschwelle stabilisiert.

10. Fazit

DFOS im Beton funktioniert. Die Technologie ist reif, die Faser hat das Betonieren überlebt, die Daten sind interpretierbar, lokale Mikrorisse werden früher als durch visuelle Inspektion erkannt. Der gesamte Projektgewinn — eine um sechs Wochen frühere Erkennung des ersten Haarrisses, ein kontinuierliches thermisch-dehnungstechnisches Profil des gesamten Pfeilers — rechtfertigt den Aufwand.

Dieser Gewinn beruht aber nicht auf der richtigen Technologiewahl, die ist heute selbstverständlich. Er beruht auf zwanzig Details, von denen die Hälfte sich erst nach der ersten Installation verstehen lässt: Schalungsdurchführungen, Verankerung der Clips, Kommunikation mit den Schalern, Platzierung der Temperaturreferenzschleife, Klimatisierung des Datenhäuschens, Prozessschritt vor dem Ausschalen. Keines dieser Details ist eine kritische Hürde — aber jedes von ihnen kann leise die Messqualität senken, bevor ein Mensch spürt, dass er zum Pfeiler gehen und persönlich nachsehen muss.

Dies ist genau die Art von Installation, bei der sich der erste Projektlauf mit einem erfahrenen Partner lohnt. Das zweite Projekt lässt sich schon intern führen.

IOAS begleitet Bauprojekte bei der DFOS-Instrumentierung in Betonbauteilen, von der Trassenführung und Kalibrierung bis zur langfristigen Dateninterpretation. Für Rückfragen: director@ioas.pro.

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