SHM-Faseroptik-Monitoring für Brückenkran-Stahlkonstruktionen
Die Faser-Bragg-Gitter-(FBG-)Sensortechnologie bietet für das Structural Health Monitoring (SHM) von Brückenkran-Stahlkonstruktionen eine hochpräzise, elektromagnetisch störungsresistente Online-Dehnungsmessung. In Kombination mit einem Schädigungsakkumulationsmodell ermöglicht sie eine Echtzeitbewertung der Restlebensdauer.
Gemäß den in DIN 15018 beschriebenen Verfahren zur Bewertung der Ermüdungslebensdauer von Metallkonstruktionen entstehen in der Stahlkonstruktion von Brückenkranen unter langfristig wechselnder Last Ermüdungsschäden, die sich akkumulieren. Herkömmliche periodische zerstörungsfreie Prüfungen (MT/UT) können den gesamten Prozess von Rissentstehung und -ausbreitung nur unzureichend erfassen. Die FBG-Sensortechnologie bietet für das Structural Health Monitoring (SHM) der Kran-Stahlkonstruktion eine verteilte, hochpräzise und langfristig online betreibbare Lösung. Das KL-SHM-FBG-System, das faseroptische Dehnungssensorik mit einem Ermüdungslebensdauer-Bewertungsalgorithmus kombiniert, wurde bereits in mehreren metallurgischen Anwendungen und Hafenanlagen erfolgreich im Feldbetrieb eingesetzt.
FBG-Sensorsystem: Aufbau und Funktionsprinzip
FBG-Sensoren nutzen UV-Laser, um ein periodisches Brechungsindexgitter in den Faserkern zu schreiben. Wenn Breitbandlicht eingekoppelt wird, wird die spezifische Wellenlänge reflektiert, die die Bragg-Bedingung λB=2neffΛ erfüllt. Bei axialer Dehnung oder Temperaturänderung der Faser ändern sich die Gitterperiode Λ und der effektive Brechungsindex neff, was zu einer Verschiebung der reflektierten Wellenlänge führt. Für Dehnungsmessungen beträgt die typische Empfindlichkeit 1,2 pm/με, mit einer Auflösung von bis zu 0,1 με – deutlich höher als die 1 με herkömmlicher Dehnungsmessstreifen.
Das gesamte KL-SHM-FBG-System besteht aus drei Komponenten:
①Faseroptisches Lichtquellenmodul – Verwendet eine ASE-Breitbandquelle (C-Band 1525–1565 nm, Ausgangsleistung ≥ 10 mW);
②Wellenlängen-Demodulator – Basiert auf dem Prinzip eines abstimmbaren Fabry-Pérot-Filters, Scanfrequenz 1 kHz, Wellenlängenauflösung 1 pm;
③Sensor-Netzwerk-Array – Jeder Kanal kann bis zu 16 FBG-Sensoren in Reihe schalten, die mittels Wellenlängenmultiplex (WDM) unterschieden werden.
Das System überträgt die demodulierten Daten über ein 4G/5G-Gateway an die Cloud-basierte SHM-Plattform und ermöglicht so eine Fernüberwachung in Echtzeit.
Dehnungssensornetzwerk: Installationskonzept
Der Hauptträger, die Kopfträger und die Verbindungsbereiche des Brückenkrans sind ermüdungsgefährdete Zonen und erfordern eine gezielte Platzierung der Messpunkte. Basierend auf den Ergebnissen der Finite-Elemente-Analyse (FEA) werden am unteren Flanschblech des Hauptträger-Querschnitts in Feldmitte bidirektionale FBG-Dehnungssensoren (längs und quer) angebracht. An beiden Enden des Hauptträgers (ca. 1/4 der Spannweite vom Kopfträger entfernt) werden unidirektionale Sensoren installiert. Im Bereich der HV-Schraubengruppen an den Kopfträgerverbindungen werden Mehrpunktsensoren platziert.
Die Montage der Sensoren erfolgt im vorgespannten Klebeverfahren mit einem Schutzanstrich aus Cyanacrylat. Jeder Sensor wird bereits in der Werkstattphase vorkalibriert, um eine anfängliche Wellenlängengenauigkeit von ±0,05 nm sicherzustellen. Bei der Installation vor Ort werden temperaturkompensierte FBGs (spannungsfrei montiert) eingesetzt, um den Temperatureinfluss zu eliminieren. Pro Hauptträger werden 16–24 Messpunkte empfohlen, um ein vollständiges Dehnungsfeld-Überwachungsnetzwerk zu bilden. Die Signalkabel werden entlang des Stegblechs des Hauptträgers in Kabelkanälen verlegt und zum Datenerfassungsschrank unterhalb des Führerhauses geführt.
Die Wahl der Messpunktdichte ist ein Kompromiss zwischen Erkennungsgenauigkeit und Systemkosten. Als Faustregel gilt: Bei allgemeinen Brückenkranen mit einer Spannweite von 22,5–31,5 m wird am unteren Flanschblech des Hauptträgers alle 2,5–3 m in Längsrichtung ein bidirektionaler FBG-Messpunkt gesetzt, im Bereich der Feldmitte verdichtet auf 1,5 m. Im Kopfträger-Verbindungsbereich liegt der Fokus auf der ersten und letzten Schraubenreihe der HV-Schraubengruppen (Spannungskonzentrationszonen); pro Verbindungsknoten werden mindestens 2 Messpunkte (einer messend, einer redundant) installiert. Für Metallurgiekrane (Triebwerksgruppe A7/A8) wird empfohlen, alle Bereiche mit Spannungen > 60 MPa im FEA-Spannungsdiagramm mit Messpunkten zu versehen, um eine 100%ige Abdeckung der kritischen Querschnitte zu gewährleisten. Die Wellenlängenmultiplex-Eigenschaft des KL-SHM-FBG-Systems ermöglicht es, Messpunkte entlang der Haupttrasse flexibel hinzuzufügen oder zu entfernen, ohne die Glasfaserhauptleitung neu verlegen zu müssen.
Online-Bewertung der Ermüdungslebensdauer
Die Ermüdungslebensdauer-Bewertung basiert auf der Auswertung realer Dehnungs-Zeit-Verläufe und folgt einem standardisierten Drei-Schritte-Verfahren: Zunächst werden die Dehnungs-Zeit-Signale jedes Messpunktes mittels Rainflow-Zählung (Rainflow Counting) analysiert, um Amplituden-Mittelwert-Paare für Voll- und Halbzyklen zu extrahieren. Anschließend wird auf Basis der S-N-Kurve des Materials (für Brückenkrane typische Stähle Q235B (≈S235JR) und Q355B (≈S355JR) mit Ermüdungsklassen FAT 125~160) die Schädigung jedes Zyklus nach der Palmgren-Miner linearen Schadensakkumulationsregel berechnet: Di = ni/Ni. Abschließend wird die Gesamtschädigung D = ΣDi kumuliert; bei D ≥ 1 gilt die Ermüdungslebensdauer an der betreffenden Stelle als erschöpft.
Zur Steigerung der Bewertungsgenauigkeit integriert das System das Goodman-Mittelspannungskorrekturmodell, das die Spannungsamplitude nicht-symmetrischer Zyklen in eine äquivalente Spannungsamplitude bei Mittelspannung null überführt: σa,e = σa × σb/(σb − σm). Parallel dazu werden die Rainflow-Ergebnisse in einer Markov-Matrix abgelegt; jeder Messpunkt führt eine zweidimensionale 128×128-Amplituden-Mittelwert-Matrix, wodurch eine Datenkompression von 1000:1 erreicht wird – geeignet für die langfristige Online-Aufzeichnung. Das System aktualisiert die Schadensakkumulationskurve alle 10 Minuten und generiert automatisch eine Warnmeldung, sobald die Tages-Schädigungsrate einen Schwellenwert überschreitet (z. B. Tageswert > 0,01 %).
In der ingenieurtechnischen Praxis resultiert die Unsicherheit der Ermüdungslebensdauer-Bewertung vor allem aus der Streuung der S-N-Kurven sowie aus der Behandlung von Zyklen mit kleinen Amplituden in der Rainflow-Zählung. Für Zyklen mit geringer Amplitude (Amplitude < 5 με) empfiehlt der International Institute of Welding (IIW) die Anwendung der Cut-off-Methode, bei der diese Zyklen vernachlässigt werden, da ihr Beitrag zur Ermüdungsschädigung unterhalb der Dauerfestigkeitsgrenze liegt. Für Zyklen mittlerer Amplitude (5~30 με) kann die Haibach-Korrektur angewendet werden, bei der die Neigung der S-N-Kurve von m = 3 auf m' = 2m − 1 = 5 angepasst wird, um die kumulative Wirkung niedriger Spannungszyklen konservativer zu bewerten. Das KL-SHM-FBG-System verwendet standardmäßig die Zwei-Neigungs-S-N-Kurvenmethode gemäß IIW; der Anwender kann je nach Stahlgüte und Verbindungstyp in der Softwareoberfläche auch andere Normen auswählen (z. B. Eurocode 3, BS 7608 oder AS 4100).
Vergleich mit konventioneller Dehnungsmesstechnik
Um die technischen Vorteile der faseroptischen Bragg-Gitter-Sensorik (FBG) gegenüber herkömmlichen Dehnungsmessstreifen (DMS) anschaulich darzustellen, werden nachfolgend sechs entscheidende Kriterien gegenübergestellt. Diese Parameter bestimmen maßgeblich die langfristige Einsatzfähigkeit und die Wartungskosten eines SHM-Systems in industriellen Umgebungen wie Stahlwerken und Häfen und sind daher zentrale Entscheidungsfaktoren bei der Systemauswahl.
Aus anwendungstechnischer Sicht umfassen die wichtigsten Abwägungen bei der Systemwahl: anfängliche Investitionskosten, langfristige Wartungs- und Betriebskosten, Datenzuverlässigkeit sowie Systemerweiterbarkeit. Zwar sind die Anschaffungskosten einzelner DMS-Messpunkte geringer, doch führen in der rauen Industrieumgebung von Brückenkranen – mit hoher Vibration, Staubbelastung und starken elektromagnetischen Störungen – typische Probleme wie Alterung und Bruch der Signalleitungen, Nullpunktdrift der Verstärker sowie Hochfrequenzstörungen dazu, dass die tatsächlichen Gesamtbetriebskosten (TCO) um den Faktor 1,8 bis 2,5 höher liegen als bei einem FBG-System. Die folgende Gegenüberstellung aus sechs Dimensionen unterstützt Unternehmen dabei, eine fundierte Entscheidung auf Basis ihrer spezifischen Betriebsbedingungen und ihres Budgets zu treffen.
| Vergleichskriterium | Widerstand Dehnungsmessstreifen-Lösung | FBGFaser-Bragg-Gitter-Lösung |
|---|---|---|
| Kosten pro Messpunkt | ¥15~30/DMS | ¥80~150/Messpunkt(inkl. Verteilung des Demodulatorpreises) |
| langfristig Stabilität | Nullpunktdrift0.5%/Monat, häufige Nullpunktkalibrierung erforderlich | jährliche Drift<0.1%, wartungsfrei Kalibrierung |
| immun gegen Elektromagnetisch Störungen | schlecht(elektrische Signale anfällig für FrequenzumrichterÜbersprechen) | hervorragend(optische Signale, völlig unempfindlich gegen EMIEinflüsse) |
| Multiplexing-Fähigkeit | jeder DMS benötigt unabhängig Signalleitung | 16Messpunkt/Kernfaser-WDM |
| Verdrahtungskomplexität | zahlreiche Kabel(bruchgefährdet, Kontaktprobleme) | alle Messpunkte in Reihe an einer Einzelfaser |
| Wartungsintervall | 3~6Monate, Austausch erforderlich | 5Jahre wartungsfrei |
Praxisbeispiel: Schadensfrüherkennung an einem Brückenkran
In einem Stahlwerk wurde ein 32t/50t-Brückenkran in der Schmelzhalle mit einem KL-SHM-FBG-System nachgerüstet. Der Kran arbeitet in der Triebwerksgruppe A7, absolviert durchschnittlich 220 Arbeitsspiele pro Tag und war zum Zeitpunkt der Nachrüstung bereits 8 Jahre in Betrieb. Im Juni 2025 wurde das System installiert; insgesamt 24 FBG-Messpunkte wurden am Hauptträger in Feldmitte, im Anschlussbereich der Kopfträger sowie in der Wärmeeinflusszone der Schweißnähte positioniert.
Am 47. Tag nach der Inbetriebnahme des Systems registrierte der Messpunkt #7 in der Hauptträgermitte einen plötzlichen Anstieg der Dehnungsamplitude um 18 %. Die Rainflow-Zählung ergab, dass die tägliche Schädigungsrate an diesem Punkt von 0,003 % auf 0,024 % angestiegen war.
Eine anschließende Magnetpulverprüfung bestätigte einen ca. 12 mm langen transversalen Ermüdungsriss in diesem Bereich. Durch rechtzeitiges Nachschweißen konnte der Riss behoben und ein plötzlicher Bruch des Hauptträgers vermieden werden. Dieser Fall verdeutlicht den praktischen Nutzen des FBG-SHM-Systems zur frühzeitigen Schadenserkennung.
Der Erfolg dieses Projekts stieß in der Branche auf großes Interesse. In der Folge rüsteten drei weitere Stahlwerke und zwei Hafenbetreiber ihre Anlagen mit vergleichbaren SHM-Systemen aus. Eine Wirtschaftlichkeitsbetrachtung zeigt: Die durchschnittlichen Kosten für die Reparatur eines Hauptträgerbruchs infolge unerkannter Rissbildung – einschließlich Strukturersatz, Produktionsausfall und Anschlagkosten – belaufen sich auf ca. 45.000 bis 80.000 EUR pro Kran. Demgegenüber stehen Investitionskosten von ca. 6.000 bis 10.000 EUR für ein KL-SHM-FBG-System pro Kran, was einem Kosten-Nutzen-Verhältnis von etwa 1:5 bis 1:8 entspricht. Innerhalb von 12 Monaten nach der Inbetriebnahme wurden in dem Stahlwerk drei Ermüdungsrisse und sieben lose Verbindungselemente frühzeitig erkannt, wodurch zwei potenzielle Hauptträgerbrüche direkt verhindert werden konnten. Die anschließende Aufrüstung von sechs weiteren Kränen desselben Werks erfolgte ebenfalls mit FBG-Sensorik; insgesamt wurden 192 FBG-Sensoren installiert, die sämtliche Krane in den Schmelz- und Gießhallen abdecken.
Häufige Fragen zur FBG-Sensorik im Kranbau
F: Welche entscheidenden Vorteile bieten faseroptische Dehnungsmessstreifen gegenüber elektrischen Dehnungsmessstreifen (DMS) im SHM-Einsatz an Brückenkranen?
A: Der wesentlichste Vorteil von FBG-Sensoren liegt in ihrer Immunität gegen elektromagnetische Störungen und ihrer langfristigen Stabilität. In der Arbeitsumgebung eines Krans erzeugen Frequenzumrichter, Motoren und stromführende Kabel starke elektromagnetische Felder. Die Mikrovolt-Signale elektrischer DMS sind dadurch anfällig für Störungen, was zu Fehlalarmen oder unerkannten Messfehlern führen kann. FBG-Sensoren arbeiten mit optischen Signalen und sind vollständig unempfindlich gegenüber EMI. Darüber hinaus weisen elektrische DMS eine Nullpunktdrift von ca. 0,5 % pro Monat auf und müssen mehrfach jährlich neu abgeglichen werden. Die Wellenlängenreferenz von FBG-Sensoren basiert dagegen auf atomaren Übergangslinien; die jährliche Drift liegt unter 0,1 %. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit, bis zu 16 Messpunkte an einer einzigen Faser zu betreiben (WDM-Technologie), was den Verkabelungsaufwand erheblich reduziert.
F: Wie wird die langfristige Zuverlässigkeit von FBG-Sensoren unter rauen Außenbedingungen an Kränen sichergestellt?
A: Die Sensoren sind mit vergoldeter Faser und Polyimid-Re-Coating ausgeführt. Die Oberfläche wird durch eine zweischichtige Abdichtung aus Cyanacrylat und Silikonkautschuk geschützt. Die Anschlussfasern sind als Panzerkabel (3 mm Durchmesser, Edelstahl-Spiralschutz mit Kevlar-Verstärkung) ausgeführt, das gegen Zugbelastung und Nagetierverbiss beständig ist. Der Arbeitstemperaturbereich umfasst −40 °C bis +85 °C; die Sensoren sind in Schutzart IP67 gekapselt. In Bereichen mit hoher Vibrations- und Stoßbelastung, wie an den Kopfträgern, wird die Montage einer metallischen Schutzabdeckung empfohlen. Messdaten aus der Praxis zeigen, dass die Überlebensrate der Sensoren in der staub- und feuchtigkeitsbelasteten Umgebung eines Stahlwerks auch nach 24 Monaten noch über 97 % liegt.
F: Welche Faktoren beeinflussen die Genauigkeit der Ermüdungslebensdauer-Bewertung eines SHM-Systems?
A: Drei Hauptfaktoren sind maßgeblich: die Übereinstimmung der S-N-Kurve – unterschiedliche Stahlsorten und Dickenklassen weisen unterschiedliche FAT-Klassen auf; so kann die FAT-Klasse von Q235B und Q355B um 15–20 % differieren. Zweitens die Genauigkeit des Rainflow-Zählalgorithmus – eine korrekte Extraktion von Voll- und Halbzyklen hängt von einer sinnvollen Schwellwertsetzung ab (empfohlen: 3 με Deadband). Drittens die Anwendbarkeit des Goodman-Korrekturmodells – bei mittleren Druckspannungen ist die Korrekturwirkung begrenzt. Die Gesamtgenauigkeit liegt typischerweise innerhalb von ±30 % (relativer Fehler), was im Rahmen des SHM-Bewertungsansatzes der internationalen Norm ISO 12111 als technisch akzeptabel gilt.
F: Welche Fernüberwachungs- und Warnfunktionen bietet das KL-SHM-FBG-System von Kelude?
A: Das KL-SHM-FBG-System von Kelude Schwerindustrie bietet eine vierstufige Warnlogik: Blauer Hinweis (tägliche Schädigungsrate eines Messpunkts > 0,005 %), Gelbe Warnung (> 0,01 %), Orange Warnung (> 0,05 % tägliche Rate bei kumulierter Schädigung > 0,3) und Rote Alarmierung (kumulierte Schädigung ≥ 0,8 oder Dehnungsamplitudensprung > 15 %). Die Datenübertragung erfolgt über ein 4G/5G-Gateway an die Cloud-basierte SHM-Plattform. Über eine App auf dem Mobiltelefon können Dehnungswellenformen, kumulierte Schädigungskurven und Trends der Restlebensdauer aller Messpunkte in Echtzeit eingesehen werden. Zusätzlich wird automatisch ein monatlicher SHM-Bericht als PDF generiert, der Rainflow-Matrizen, Schädigungs-Hotspot-Karten und Wartungsempfehlungen enthält.
