Erfassung thermischer Belastung

Für die Versuche unter thermischer Belastung wurden je vier Proben in einer Klima-kammer auf Auflagern postioniert und zunächst für mindestens 2 Stunden konstant auf Raumtemperatur gehalten, damit alle Proben gleichen Ausgangsbedingungen ausgesetzt sind. Darauf wurde die Temperatur in 0,5 ^◦C-Schritten pro Minute bis zu einer Temperatur von 60^◦C erhöht. Nach einer mehrstündigen Verweildauer bei dieser Temperatur wurde die Temperatur in gleichen Schritten auf -20^◦C erniedrigt und diese wiederum für mehrere Stunden konstant gehalten. Zuletzt wurde erneut auf Raumtemperatur gestellt. Bei der Anfertigung von acht Messproben konnten nur sechs verwendet werden, da zwei Sensoren bei der Klebung in den Stein be-schädigt wurden und somit keine verlässlichen Daten mehr lieferten. Zunächst wer-den die Ergebnisse der Temperatursensoren vorgestellt, da diese die Grundlage für die Kompensation der Dehnungssensoren bilden. In Abbildung 4.31 sind die Tem-peraturen einer Sensoranordnung und die Referenzmessung mittels Thermoelement gezeigt. Das Thermoelement reagiert schneller auf die Änderung der Temperatur in der Klimakammer, da dieses an der Oberfläche der Messprobe gelagert ist.

Zeit (h)

0 5 10 15 20 25 30 35

Temperatur (°C)

-20 0 20 40

60 Sensor A Temp 1

Sensor A Temp 2 Referenz

Abbildung 4.31: Umrechnung der Wellenlängenverschiebung in Temperatur bei ei-nem Sensor.

Die FBGs befinden sich in den Messproben und folglich liegt im Inneren des Sandsteins die eingestellte Temperatur mit Verzögerung an. Dies verdeutlicht noch-mals die Wichtigkeit einer Temperaturmessung möglichst nahe der Messstelle zur Dehnungsmessung. Bei einem raschen Temperaturanstieg, wie in Abbildung 4.31 gezeigt, führt eine Temperaturkompensation des Dehnungssensors mit Hilfe exter-ner Sensoren zu Verfälschungen der Ergebnisse. Bei dem gezeigten Element neh-men die Werte der FBGs annähernd die Werte des Thermoeleneh-ments an. Im negati-ven Temperaturbereich ergibt sich eine maximale Abweichung von lediglich 1,5 K, welche bereits durch die angegebenen Toleranzen des Referenzelements entstehen kann.

Die exakten Ergebnisse der Sensoren im positiven Temperaturbereich basieren dar-auf, dass bei der Kalibrierung besonders auf diesen Bereich geachtet wurde. Im Vergleich zu dem Sensor aus Abbildung 4.31 weicht der Sensor aus Abbildung 4.32 im Bereich von -20 ^◦C um bis zu 6 ^◦C vom erwarteten Wert ab. Zwar besit-zen die übrigen Sensoren auch eine Abweichung im negativen Bereich, jedoch liegt deren Abweichung unter 6^◦C. Da diese Abweichung vor allem im negativen Tem-peraturbereich auftritt, liegt es nahe, dass gefrierendes Wasser einen Einfluss auf die Anordnung besitzt. Da das Ziel dieser Arbeit jedoch lediglich eine Machbarkeitsstu-die ist, wird auf Machbarkeitsstu-diesen Fehler nicht genauer eingegangen und deren Untersuchung als Ausblick für folgende Arbeiten genannt. Hierfür muss der Fertigungsprozess

optimiert und vereinheitlicht werden, um mögliche Abweichungen in der Fertigung auszuschließen.

Zeit (h)

0 5 10 15 20 25 30 35

Temperatur (°C)

-20 0 20 40

60 Sensor B Temp 1

Sensor B Temp 2 Referenz

Abbildung 4.32: Bei der Umrechnung bei Temperaturen im Minusbereich kann es wegen Einflusses von Frost zu Abweichungen kommen.

Die Temperaturen in der Klimakammer können je nach Position variieren und somit können die Ergebnisse der Proben der gleichen Messreihe je nach Position voneinander abweichen. Aus diesem Grund wird auf einen direkten Vergleich aller Temperatursensoren verzichtet. In Abbildung 4.33 sind die ermittelten Dehnungen aus einer Versuchsreihe gezeigt. Die zu erwartenden Werte der Dehnungen erge-ben sich mittels des Ausdehnungskoeffizienten von Quarz. Dieser liegt zwischen 6, 99·10⁻⁶K⁻¹ und 13, 24·10⁻⁶K⁻¹ und somit die zu erwartenden Dehnungen zwischen 280 µ ε und 530 µ ε. Bei allen Proben ist zu erkennen, dass bei einer Temperaturerhöhung eine Dehnung und bei Senkung der Temperatur eine Kontrak-tion erfasst wird. Bei den Proben 1, 2 und 3 bleiben die Werte für Dehnung bzw.

Kontraktion nach Erreichen des Extremwerts nahezu konstant. Eine geringe Ab-weichung bei hohen Temperaturen kann sich durch Verdunstung und somit einer Volumenänderung ergeben. Bei Probe 4 hingegen sinkt die Dehnung übermäßig, was auf einen Verlust der angebrachten Vorspannung schließen lässt. Die Klebung bei Probe 4 wies eine geringe Haftung auf. Bei allen Proben bleibt eine restliche Kontraktion auch bei Erreichen der Raumtemperatur zurück. Diese kann mehrere Ursachen haben, die zum einen auf dem Verhalten der Messproben beruhen und zum anderen auf einen Defekt des Sensors schließen lassen könnten.

Zeit (h)

0 5 10 15 20 25 30 35

Dehnung (µǫ)

-600 -400 -200 0 200 400 600 800

Probe 1 Probe 2 Probe 3 Probe 4

Abbildung 4.33: Dehnungen der Messproben aus der ersten Versuchsreihe.

Durch die thermische Belastung der Proben können sich interne Spannungen bilden, deren zeitliches Abklingen nicht der Temperatur folgt, sondern verzögert eintritt. Im Extremfall bleibt die residuale Spannung selbst nach einem längeren Zeitraum bestehen, da Schäden in den Messproben auftreten. Treten die geschilder-ten Fälle ein, so beschreiben die Messdageschilder-ten der Sensoren das Materialverhalgeschilder-ten sehr gut. Jedoch kann eine restliche Kontraktion auch ein Indikator für das Verschwin-den der angebrachten Vorspannung sein. Lockert sich die Klebung einer oder beider Kapillaren so verringert sich die Vorspannung und es ergibt sich eine Verschiebung der Wellenlänge hin zu niedrigeren Werten. Diese wird bei der Berechnung der Deh-nung als Kontraktion aufgefasst und somit würde sich eine verbleibende Kontrak-tion ergeben. Um mögliche Fehlerquellen auszuschließen müssen die Messproben einer größeren Anzahl von Temperaturzyklen ausgesetzt werden. Eine mangelhafte Klebung und somit ein Verlust der Vorspannung würde in nachfolgenden Zyklen ge-ringere Dehnungswerte ergeben. In Abbildung 4.34 sind die Ergebnisse der zweiten Versuchsreihe gezeigt. Die Ergebnisse der Proben 1, 3 und 4 spiegeln auch hier das Verhalten der Messproben gut wieder und die Magnitude der Dehnungen entspricht den Erwartungen. Lediglich der Sensor in Probe 2 liefert im negativen Tempera-turbereich falsche Werte, da hier eine Kontraktion des Probenkörpers vorliegt. Wie bei der ersten Versuchsreihe ist auch hier zu sehen, dass auch bei Erreichen der Raumtemperatur die Kontraktion nicht auf den Anfangswert sinkt.

Zeit (h)

Abbildung 4.34: Dehnungen der Messproben aus der ersten Versuchsreihe.

Um zu überprüfen, wie sich die Dehnungssensoren über mehrere Zyklen verhal-ten, wurde die zweite Versuchsanordnung vier Zyklen unterzogen. In den Abbil-dungen 4.35, 4.36 und 4.37 sind die Ergebnisse dieser Messungen gezeigt.

Zeit (h)

Abbildung 4.35: Vier Temperaturzyklen mit Probe 1 aus Abbildung 4.33 Es ist deutlich zu sehen, dass bei allen Proben im ersten Zyklus ein Teil der Deh-nung verschwindet während die Temperatur konstant auf 60^◦C gehalten wird. Da dieser Effekt in den folgenden drei Zyklen nicht auftritt, werden hierfür Materialei-genschaften in Betracht gezogen. Eine mögliche Erklärung ist das Verdunsten von

Wasser in den Proben während des ersten Zyklus und somit eine Volumenabnahme.

Neben diesem Einfluss kann ein Teil der Vorspannung im ersten Zyklus verschwin-den. Bei allen Proben bleibt ein Teil der Kontraktion zwischen den Zyklen bestehen, vor allem zwischen dem ersten und zweiten Zyklus.

Zeit (h)

Abbildung 4.36: Vier Temperaturzyklen mit Probe 3 aus Abbildung 4.33

Zeit (h)

Abbildung 4.37: Vier Temperaturzyklen mit Probe 4 aus Abbildung 4.33 Zwischen den Zyklen 2,3 und 4 bleibt diese Kontraktion jedoch annähernd kon-stant. In diesen Zyklen tritt während des Verweilens bei 60^◦C kein Schwinden auf, was die Theorie des Verdunsten von Wasser bekräftigt. Wird die Magnitude der

Dehnungen der einzelnen Zyklen jeweils auf den Anfangswert des Zyklus bezogen, so ergeben sich gleiche Werte für die separaten Zyklen. Die Werte der Dehnungen bei Temperaturerhöhung sind größer als bei -senkung. Dies gilt jedoch nicht für den ersten Zyklus in Abbildung 4.36, da hier während des ersten Aufheizvorgangs interne Prozesse stattfinden, die in einem kurzen Zeitraum die Dehnung senkt. Da jedoch die folgenden Zyklen Werte liefern, die das Verhalten der Proben wiederge-ben, wurde dieses Verhalten nicht genauer untersucht.