Automatisiertes faseroptisches Überwachungssystem an einer Winkelstützmauer (Pilotversuch)

• Forschungsstelle: ASTRA SBT
• Projektnummer: AGB2015/034_OBF
• Projekttitel Englisch: Automated fiber-optic monitoring system of cantilever retaining wall (Pilot instrumentation)

Schlüsselwörter (Deutsch)

Pilotmauer, Überwachungssystem, Faseroptische Sensorik, Winkelstützmauer, Alarmsystem, Grossversuche

Schlüsselwörter (Englisch)

Pilot instrumentation, monitoring system, fiber-optic sensing, cantilever retaining wall, alarm system, large scale experiments

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Ein Pilotprojekt des ASTRA zeigt, dass die Zustandserfassung und -beurteilung von Winkelstützmauern Schwierigkeiten bereiten. Sowohl zerstörungsfreie, als auch zerstörungsintensive Techniken konnten mehrheitlich keine befriedigenden Resultate erbringen. Ein klarer Forschungsbedarf ist insbesondere bei der messtechnischen Überwachung von nicht verankerten Stützmauern gegeben, da damit Instandsetzungsmassnahmen und Kostenfolgen vermindert werden könnten. Das vorliegende Forschungsprojekt soll die Grundlagen für eine automatisierte Messanlage erarbeiten und deren Funktionalität an einer Pilotmauer aufzeigen.
Als Erstes soll ein Sensorsystem auf Basis von faseroptischen Dehnungssensoren entworfen und geprüft werden. Faseroptische Sensoren zeichnen sich durch ihre Zuverlässigkeit, Messgenauigkeit und minimalen Platzbedarf (zerstörungsarme Instrumentierung) aus. Der Verbund Sensor-Bauwerk wird anhand von Laborversuchen überprüft. Die Platzierung in der Wand soll durch das Verständnis des Deformations- und Bruchverhaltens optimiert werden.
Im zweiten Schritt soll eine Pilotmauer instrumentiert und eine automatisierte Messanlage während zwei Jahren betrieben werden. Die Daten sind so auszuwerten, dass wiederkehrende Einflüsse von Extremwerten, welche die Wandstabilität gefährden, gesondert betrachtet werden können. Es werden Temperatur- und Wasserdrucksensoren einbezogen.
Parallel dazu sollen die Grossversuche eines ETH Forschungsprojekts wie die Pilotmauer instrumentiert werden, um vertiefte Erkenntnisse zu Extremwerten im Bruchzustand unter Ausschluss von wiederkehrenden Messwerten zu erhalten.
Abschliessend sind Empfehlungen zur Weiterentwicklung des Systems zu einer automatisierten Messanlage mit Alarmsystem abzugeben und deren Wirtschaftlichkeit nachzuweisen.

Kurzbeschreibung (Englisch)

A pilot study of ASTRA revealed significant uncertainties in the assessment of the state of cantilever retaining walls. Both non-destructive and destructive techniques could not provide satisfactory results. Therefore, research is required on how to monitor these walls, especially since associated costs of repair measures and other consequences are very high. The present proposal develops the basis for an automated measuring system and demonstrates its functionality on a pilot wall.
First, a system based on fiber-optic strain sensors is designed and tested. Fiber-optic sensors offer reliability, accuracy and minimal space requirements. The focus is on the sensor integration into the structure: bonding to the structure and placement within the structure. Laboratory tests shall prove the bonding. The placement shall be optimized by studying the deformation and failure modus of the walls.
Second, a pilot wall is instrumented including temperature and piezometer sensors and an automated monitoring system will be operated over two years.
Large-scale tests of an ETH research project will be instrumented in parallel with the same system as the pilot wall. The laboratory results will help to understand values from daily and seasonal fluctuation in comparison to extreme values recorded at failure of the wall.
Finally, recommendations for further development of the system as well as an assessment of the cost effectiveness is provided. The ultimate goal is an automated alarm system.

Projektziele (Deutsch)

Die Zustandsbeurteilung von Winkelstützmauern bereitet Schwierigkeiten und bedingt daher vielerorts sofortige Sicherheitsmassnahmen. Mit einem geeigneten Überwachungssystem könnten Instandsetzungsmassnahmen und die damit verbundenen hohen Kosten vermindert werden.
Das vorliegende Forschungsprojekt soll die Grundlagen für eine automatisierte Messanlage erarbeiten und dessen Funktionalität an einer Pilotmauer sowie in Grossversuchen aufzeigen. Dazu werden faseroptische Sensoren verwendet, welche sich durch ihre Zuverlässigkeit, Messgenauigkeit und ihren minimalen Platzbedarf (zerstörungsarme Instrumentierung) auszeichnen. Der Sensorplatzierung wird grosse Aufmerksamkeit geschenkt. Zyklische und stetig zunehmende Messwerte sollen voneinander unterschieden und verstanden werden. Zusätzlich sollen Empfehlungen zur Weiterentwicklung des Systems zu einer automatisierten Messanlage mit Alarmsystem abgegeben und deren Wirtschaftlichkeit nachgewiesen werden.

Projektziele (Englisch)

The assessment of cantilever retaining walls is difficult and therefore, immediate safety measures are often required. With appropriate monitoring, repairs and the associated high costs could be reduced.
The present proposal develops the basis for an automated measuring system and demonstrates its functionality on a pilot wall and in large scale experiments. Suggested is the use of fiber-optic sensors, which offer reliability, accuracy and minimal space requirements.
The focus is on sensor integration into the wall and in the separation and understanding of periodic and continuously increasing measurement values. Additionally, recommendations for further development of the monitoring system towards an automated alarm system as well as an assessment of its cost effectiveness are provided.

Berichtsnummer (Deutsch)

703