DE102007032351A1 - Sensorfaser-integriertes Textilsystem, seine Herstellung und seine Verwendung zur Bewehrung und Zustandsüberwachung unter Anwendung der OTDR-Technik - Google Patents

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Abstract

Verwendung eines sensorfaser-integrierten Textilsystems zur Bewehrung und Zustandsüberwachung von Böschungen und Hängen, geotechnischen Erdbauwerken wie Strassen- und Bahntrassen, Deichen, Dämmen und Erdschutzwällen jeglicher Art und von Mauerwerken sowie für die Gefahrenerkennung im Versagensfall, bestehend aus mindestens einem textilen Flächengebilde und mindestens einem integriertem faseroptischen Sensor auf Glas- oder Polymerbasis, wobei die Verbundstruktur gleichzeitig die Bewehrung und die kontinuierlich verteilte Messung mechanischer und physikalischer Größen auf Basis des OTDR-Messverfahrens realisiert.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein sensorfaser-integriertes Textilsystem sowie dessen Herstellung und Verwendung zur Bewehrung und Zustandsüberwachung von Böschungen und Hängen, geotechnischen Erdbauwerken wie Strassen- und Bahntrassen, Deichen, Dämmen und Erdschutzwällen jeglicher Art und von Mauerwerken sowie für die Gefahrenerkennung im Versagensfall, bestehend aus mindestens einem textilen Flächengebilde und mindestens einem integriertem faseroptischen Sensor auf Glas- oder Polymerbasis, wobei dieses gleichzeitig die Bewehrung und die kontinuierlich verteilte Messung mechanischer und physikalischer Größen auf Basis des OTDR-Messverfahrens realisiert.
  • Stand der Technik
  • In der DE 198 43 974 C1 wird eine Einrichtung zum Bestimmen von Temperaturen an und in ausgedehnten Objekten, mit einer optisch-elektronischen Messvorrichtung beschrieben, welche auf der Basis einer verteilten Temperaturmessung mittels eines faseroptischen, mit Laserstrahlung beaufschlagten Sensorkabels und einer Laufzeit- und Intensitätsauswertung der rückgestreuten Laserstrahlung (Raman-Streuung) ermöglicht. Eine verteilte Messung mechanischer Verformungen ist mit diesem Messverfahren nicht möglich.
  • Optische Fasern als Verformungssensoren werden von der Firma Polyfelt (www.polyfelt.com) mit dem Produkt „Geodetect" für Geotextilien angeboten. Dieser Geokunststoff basiert auf den so genannten Faser-Bragg-Gitter-Sensoren (FBG) in Glasfasern. Diese sind Kettensensoren, die nur in begrenzter Anzahl (ca. 10 pro Kette) in vorher bestimmte lokale Stellen in die Glasfaser eingeschrieben werden müssen und nur eine Messlänge von wenigen mm/m besitzen. Derartige punktuell messende FBG-Sensoren bieten keine ausreichend zuverlässigen Informationen über großflächig verlegte Textilsysteme, da diese Sensoren nur lokale Dehnungsinformationen liefern und daraus eben nicht auf das Verformungsverhalten großer flächiger Messabschnitte geschlossen werden kann. Eine großflächige Überwachung der Textilfläche würde eine Vielzahl kostenintensiver integrierter FBG-Sensoren nebst mehrkanaliger Messgerätetechnik erfordern. Mit den Geodetect- Matten wurden deshalb bisher nur Messstrecken von ca. 10 Metern realisiert. Das Geotextil ist daher nur zur Überwachung von Bauwerken kleiner räumlicher Ausdehnung, wie Brücken, Tunnel, Stützkonstruktionen, geeignet.
  • Aufgabe und Lösungsansatz
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Textilsystem derart herzustellen und zu verwenden, dass ein kontinuierlich verteiltes Monitoring möglich ist, eine höhere Genauigkeit bei der Lokalisierung des Schadensortes erzielt werden kann und eine Bauwerksertüchtigung erfolgt.
  • Lösung
  • Gelöst wird die Aufgabe durch die in den Patentansprüchen angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen enthalten.
  • Vorteile der Lösung
  • Die optischen Fasern können als Sensoren in ein Textilsystem, vorzugsweise in Gewirken oder Gewirkeverbunden in einem Arbeitsgang integriert werden. Die Erfindung mit ihren Ausgestaltungen ist folgendermaßen charakterisiert:
    • • die optischen Fasern werden zur rechten Gewirkeseite durch Vliesstoff, textile Gitterstrukturen, Foliebahnen oder Gewebe geschützt,
    • • die optischen Fasern werden zur linken Gewirkeseite durch Bindungselemente der Grund- und Schussfäden geschützt,
    • • zum Schutz der optischen Fasern erfolgt die Einbettung der Fasern im textilen Herstellungsprozess des Textilsystems zwischen zwei Vliesstoffbahnen oder anderen Geokunststoffbahnen,
    • • die optischen Fasern werden in Herstellungsrichtung oder in Querrichtung des Textilsystems eingearbeitet,
    • • die optischen Fasern werden zur rechten und linken Gewirkeseite durch Unterlegungsabschnitte einer gegenlegig gearbeiteten Trikotbindung fixiert
    • • die optischen Fasern werden zur rechten und linken Gewirkeseite durch Unterlegungsabschnitte einer gegenlegig oder gleichlegig gearbeiteten Teilschussbindung fixiert, wobei die Teilschüsse mittels Fransebindung abgebunden werden und die Maschenstäbchen mittels Durchschuss über die gesamte Textilbreite untereinander lagefixiert sind.
  • Eine gravierende Erhöhung der Funktionssicherheit der Sensoren wird erreicht, wenn die optischen Fasern völlig gestreckt, direkt während der Textilherstellung oder unmittelbar danach mittels Ausrüstung, chemisch und/oder thermisch lagefixiert werden und so ein guter Haftverbund in Form eines Kraft- Formschlusses zwischen Sensoren und Textilfläche erzeugt wird.
  • Darüber hinaus kann der Haftverbund optimiert werden, wenn der Sensormantel profiliert ausgebildet ist. Derartige Profilierungen können entweder direkt im Herstellungsprozess des Sensors unmittelbar am Sensormantel in Form von Nasen, Noppen, Verzahnungen, Reißverschluss, Haken oder Rippen angebracht werden oder nach der Sensorherstellung mittels textiler Ummantelungsverfahren.
  • Ausführungsbeispiele
  • Die Erfindung wird nachfolgend durch Ausführungsbeispiele näher beschrieben. Das verwendete Textilsystem besteht aus mindestens einer Textilstruktur mit integrierten Sensorfasern, je nach Verwendung der Sensormatte kann diese eine unterschiedliche Grundstruktur besitzen, in der die Sensorfasern verschiedenartig eingebunden sind.
  • In den Figuren werden folgende Bezeichnungen verwendet:
    • 1
    textile Fläche bzw. Schicht, wobei (1, 1') zwei Schichten bezeichnet
    2
    Sensorfasern,
    3
    Querschuss,
    4
    Unterlegungsabschnitte, Trikotbindung
    5
    Unterlegungsabschnitte, Schussbindung
    6
    Gitterstrukturen
    7
    Gitterstruktur unten
    8
    Sensorkanäle,
    9
    Zugelemente,
    10
    Schichtverbindungen,
  • Die 1 zeigt den Aufbau eines Maschenbildes für eine offene Gewirkestruktur mit:
    • • Fransebindung im maschebildenen Grundfadensystem
    • • gegenlegiger Teilschussbindung (5) zur Fixierung der Sensoren (2) und der Zugelemente (9)
    • • Stehschussbindung für den Sensor (2) und
    • • Vollschuss (3) über die gesamte Arbeitsbreite zur Fixierung der Maschestäbchen untereinander.
  • Die 2 zeigt den Aufbau einer offene Gewirkegitterstruktur mit:
    • • Trikotbindung gegenlegig im maschebildenden Grundfadensystem zur Fixierung der Sensoren (2)
    • • Stehschussbindung für den Sensor und
    • • Vollschuss über die gesamte Arbeitsbreite zur Fixierung der Maschestäbchen untereinander.
  • Die 3 zeigt den Aufbau des Textilverbundes zur Einbettung der Sensorfasern (2) und Zugelemente (9) zwischen Textilstrukturen (1, 1') wobei die Textilien gitterartig (6) ausgebildet sein können und die Sensoren (2) in Kanälen (8) verlaufen. Die Verbindung (10) der Gitter kann in bekannter Weise durch Wirken oder Nähen, Kleben oder thermische Verfestigung erfolgen.
  • Die 4 zeigt den Aufbau der textilen Struktur zur Einbettung der Sensorfaser (2) zwischen einer Gitterstruktur (7) und Querschussfäden (3) als Schnittdarstellung. Die Verbindung (10) der Gitter kann in bekannter Weise durch Wirken, Nähen, Kleben oder thermische Verfestigung erfolgen.
  • 5 zeigt eine mäanderförmige Sensoranordnung (2) in einer gitterartigen Textilstruktur mit eingearbeitenden lastaufnehmenden Zugelementen in Längs- (9) und Querrichtung (3). Die Lagepositionierung der lastaufnehmenden Zugelemente (9) in Längsrichtung erfolgt durch Unterlegungsfadenabschnitte (4) einer gegenlegig gearbeiteten Trikotbindung.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 19843974 C1 [0002]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • - www.polyfelt.com [0003]

Claims (18)

  1. Verwendung eines sensorfaser-integrierten Textilsystems zur Bewehrung und Zustandsüberwachung von Böschungen und Hängen, geotechnischen Erdbauwerken wie Strassen- und Bahntrassen, Deichen, Dämmen und Erdschutzwällen jeglicher Art und von Mauerwerken sowie für die Gefahrenerkennung im Versagensfall, bestehend aus mindestens einem textilen Flächengebilde und mindestens einem integriertem faseroptischen Sensor auf Glas- oder Polymerbasis, wobei die Verbundstruktur gleichzeitig die Bewehrung und die kontinuierlich verteilte Messung mechanischer und physikalischer Größen auf Basis des OTDR-Messverfahrens realisiert.
  2. Herstellung eines sensorfaser-integrierten Textilsystems zur Bewehrung und Zustandsüberwachung von Böschungen und Hängen, geotechnischen Erdbauwerken wie Strassen- und Bahntrassen, Deiche, Dämme und Erdschutzwälle jeglicher Art und von Mauerwerken sowie für die Gefahrenerkennung im Versagensfall, bestehend aus mindestens einem textilen Flächengebilde und mindestens einem integriertem faseroptischen Sensor auf Glas- oder Polymerbasis, wobei die Verbundstruktur gleichzeitig die Bewehrung und die kontinuierlich verteilte Messung mechanischer und physikalischer Größen auf Basis des OTDR-Messverfahrens realisiert.
  3. Sensorfaser-integriertes Textilsystem zur Bewehrung und Zustandsüberwachung von Böschungen und Hängen, geotechnischen Erdbauwerken wie Strassen- und Bahntrassen, Deiche, Dämme und Erdschutzwälle jeglicher Art und von Mauerwerken sowie für die Gefahrenerkennung im Versagensfall, bestehend aus mindestens einem textilen Flächengebilde und mindestens einem integriertem faseroptischen Sensor auf Glas- oder Polymerbasis, wobei die Verbundstruktur gleichzeitig die Bewehrung und die kontinuierlich verteilte Messung mechanischer und physikalischer Größen auf Basis des OTDR-Messverfahrens realisiert.
  4. Sensorfaser-integriertes Textilsystems, seine Herstellung und Verwendung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Sensorfasern in das textile Flächengebilde so eingebettet sind, dass die Einbindung auf oder in eine Schicht (1), auf oder zwischen zwei Schichten (1, 1'), auf oder zwischen einem mehrlagigen Schichtenaufbau (1, 1') erfolgt.
  5. Sensorfaser-integriertes Textilsystems, seine Herstellung und Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorfasern (2) so in das textile Flächengebilde (1) eingebettet sind, dass sie in Produktionslängsrichtung, Produktionsquerrichtung oder mäanderförmig verlaufen.
  6. Sensorfaser-integriertes Textilsystems, seine Herstellung und Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das textile Flächengebilde (1) vorzugsweise ein Geokunststoffgitter, Gewirke, Gewebe oder Gelege, ein Vliesstoff (1,1') oder Geokunststoff oder eine Kombination aus diesen ist.
  7. Sensorfaser-integriertes Textilsystems, seine Herstellung und Verwendung nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass das textile Flächengebilde (1) eine offene Gitterstruktur mit Porenweite von 5 mm bis 150 mm; eine durchbrochene Struktur mit Porenweite von 0,5 mm bis 5 mm; oder eine geschlossene Vliesraschelstruktur ist, wobei die Sensorfasern (2) fixiert oder beweglich eingebunden sind.
  8. Sensorfaser-integriertes Textilsystems, seine Herstellung und Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das textile Flächengebilde (1) als Gelege ausgebildet ist, wobei die Sensorfaser (2) parallel zu lastaufnehmenden Fadenmaterial gelegt ist.
  9. Sensorfaser-integriertes Textilsystems, seine Herstellung und Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das textile Flächengebilde (1) als gewirkte Gitterstruktur ausgebildet ist, wobei die Einbindung der Sensorfaser (2) als Bindungselement Stehschuss oder Schussunterlegung (3) erfolgt.
  10. Sensorfaser-integriertes Textilsystems, seine Herstellung und Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das textile Flächengebilde (1, 1') als Vliesstoff ausgebildet ist, wobei die Einbindung der Sensorfaser (2) als Element in Produktionslängsrichtung in einem nach NAPCO®-Technologie vernadelten 2-lagigem Vliesstoff oder als Bindungselement Stehschuss in Produktionslängsrichtung in einem nach Malivlies-Technologie vermaschtem Vliesstoff erfolgt.
  11. Sensorfaser-integriertes Textilsystems, seine Herstellung und Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das textile Flächengebilde ein Verbund-Raschelgewirke aus einer oder mehreren Vliesstoffschichten (1, 1') mit integrierten Zugelementen (9) in Produktionslängsrichtung, Querschussfäden (3) zur Lastaufnahme und in Produktionslängsrichtung verlaufenden Sensorfasern (2) besteht, wobei die Sensorfasern (2), die Zugelemente (9) und die Querschussfäden (3) durch Unterlegung einer Trikotbindung oder Teilschussbindung abgebunden sind.
  12. Sensorfaser-integriertes Textilsystems, seine Herstellung und Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das textile Flächengebilde ein Verbund-Raschelgewirke aus einer oder mehreren Gitterstrukturen (6, 7) mit integrierten Zugelementen (9) in Produktionslängsrichtung, Querschussfäden (3) zur Lastaufnahme und in Produktionslängsrichtung verlaufenden Sensorfasern (2) besteht, wobei die Sensorfasern (2), die Zugelemente (9) und die Querschussfäden (3) durch Unterlegung einer Trikotbindung oder Teilschussbindung abgebunden sind.
  13. Sensorfaser-integriertes Textilsystems, seine Herstellung und Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das textile Flächengebilde aus anorganischen Materialien, vorzugsweise Polyester, Polypropylen, Polyamid, Polyurethan und/oder organischen Materialien, vorzugsweise Aramid, Basalt, Carbonfaser oder Glasfaser, gefertigt ist.
  14. Sensorfaser-integriertes Textilsystems, seine Herstellung und Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das textile Flächengebilde mit eingarbeiteten Sensorfasern einer Nachbehandlung mittels wässriger Dispersionen vorzugsweise Styrol/Butadien-Copolymerisat und einem anschliessenden Trocknungsvorgang, vorzugsweise Infrarottrocknung, behandelt ist.
  15. Sensorfaser-integriertes Textilsystems, seine Herstellung und Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Sensorfasern (2) kommerziell erhältliche polymere Stepindex- bzw. Gradientenindexfasern auf Kunststofffaserbasis sind.
  16. Sensorfaser-integriertes Textilsystems, seine Herstellung und Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die faseroptischen Sensoren (2) kommerziell erhältliche Standard-Lichtwellenleiter auf Glasfaserbasis sind.
  17. Sensorfaser-integriertes Textilsystems, seine Herstellung und Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Sensorfasern (2) mit profilierten Manteloberflächen in Form von Nasen, Noppen, Verzahnungen, Reißverschluss, Haken oder Rippen ausgerüstet werden, um einen optimalen Kraft/Formschluss zwischen Textilmaterial und Sensor zu erzielen.
  18. Sensorfaser-integriertes Textilsystems, seine Herstellung und Verwendung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die faseroptischen Sensoren (2) mit einer oder mehreren Schichten aus druckelastischem Material ummantelt sind.
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