Warum Standard-Glasfaserkabel in Schwarzerde versagen.

Während die Telekommunikationstechnik typischerweise die Netzwerkkapazität, Bandbreite und den optischen Verlust priorisiert, hängt das ultimative Überleben der physikalischen Schicht von der geotechnischen Stabilität ab. Für Netzbetreiber, die Infrastrukturanlagen für mehrere Jahrzehnte aufbauen, ist die primäre Bedrohung überraschenderweise nicht die Kapazität. Stattdessen ist es die mechanische Volatilität der „Aktiven Zone“, also des oberen Bodens, der intensiven saisonalen Feuchtigkeitsschwankungen unterliegt.

Beim Aufbau kritischer Netzinfrastruktur, wie z.B. Backhaul-Routen, bei denen jeder Ausfall extreme Auswirkungen haben könnte, ist es ratsam, die Fähigkeit von Glasfaserkabeln zu berücksichtigen, den Bodenbedingungen standzuhalten.

In vielen globalen Regionen verhält sich der Boden wie eine dynamische Maschine, die mehrvektorielle Kräfte ausübt, die die physikalischen Toleranzen von Standard-Glasfaserkabeln leicht überschreiten können. Um dieses Risiko zu mindern, wenden sich umsichtige Netzbetreiber spezialisierten hochfesten Systemen wie den hochfesten Designs von ScaleFibre zu, um den Anlagenschutz zu gewährleisten.

Die Geotechnik “reaktiver” Böden

Der primäre mechanische Antagonist für vergrabene Infrastruktur ist eine Bodenordnung, die als Vertisole bekannt ist, im Volksmund „Schwarzerde“ genannt. Diese sind durch hohe Konzentrationen quellfähiger Tonmineralien gekennzeichnet, die während Nass- und Trockenzyklen dramatische Volumenänderungen erfahren.

Was passiert im Boden?

Das Verhalten eines Vertisols wird durch seine mineralogische Zusammensetzung bestimmt, insbesondere durch das Vorhandensein spezifischer Mineralien. Diese Mineralien weisen eine 2:1-Gitterstruktur auf – im Wesentlichen ein mikroskopisches molekulares „Sandwich“ aus verschiedenen Tonschichten.

Die Bindungen zwischen diesen Schichten sind relativ schwach. Während der Hydratation werden Wassermoleküle in den Zwischenschichtraum (zwischen den Schichten) gezogen, wodurch die Schichten auseinandergedrückt werden. Auf makroskopischer Ebene führt diese molekulare Expansion dazu, dass das Bodenvolumen stark ansteigt und massive Quellspannungen erzeugt werden. Andererseits führt der Wasserverlust während Trockenperioden zum Kollabieren des Gitters, was zu Bodenschrumpfung und der Bildung tiefer Risse oder „Schwindrisse“ führt, die sich mehrere Meter tief in den Unterboden erstrecken können.

Globale Risikogebiete

Diese geologisch instabilen Zonen sind strategisch bedeutsam und weit verbreitet. Sich verschiebende, quellfähige Böden stellen weltweit Herausforderungen dar. Sie haben dies zweifellos an Gebäuden gesehen, wo Wände Risse bekommen und Fundamente aufgrund von Bodenvorbewegungen verschieben. Problematische Böden kommen an vielen Orten vor, aber einige spezifische Regionen sind gut bekannt.

Nordamerika

Eine Reihe von Regionen weist verschiebende Böden auf, darunter die berüchtigte „Houston Black“-Erde, die im Texas-Korridor vorherrscht. Diese Böden sind bekannt für ihren hohen Ausdehnungskoeffizienten (COLE) und heben oft Fundamente an und scheren Leitungen mit genug Kraft, um traditionelle Versorgungsleitungen zu zerbrechen. Jedes Jahr entsteht ein enormes Ausmaß an Schäden durch die quellfähigen „Houston Black“-Böden.

Europa

In Spaniens Extremadura-Region, in einem Gebiet, das als Tierra de Barros bekannt ist, unterliegen die Pellic Vertisole extremer Setzung. Im Vereinigten Königreich sind die Tone der Lias-Gruppe Hochrisikozonen für erdrutschbedingte Scher- und Infrastrukturschäden, oft entlang häufig genutzter Transportwege. Tatsächlich sind quellfähige Böden im Vereinigten Königreich die größte natürliche Bodengefahr und können Kabel und andere Infrastruktur abscheren, was zu weit verbreiteten Ausfällen, Lecks und Brüchen führt.

Australien

Australische Vertisole, die die weltweit vielfältigste Reihe von Rissböden enthalten, bilden tiefe Oberflächenrisse, die einen schnellen Wassereintritt in den Unterboden ermöglichen und ein lokalisiertes, heftiges Quellen auslösen, das vergrabene Kabel in einer einzigen Saison enorm verschieben kann. Telekommunikationsanbieter in ganz Australien stehen jedes Jahr in vielen Regionen des Landes vor enormen Herausforderungen durch diese Böden. In einigen Fällen verschieben sich die Schwarzerden so stark, dass sie große Erdspalten erzeugen.

Versagensmodi von vergrabenen Glasfaserkabeln

Geotechnische Bewegungen greifen ein vergrabenes Gut durch drei unterschiedliche mechanische Belastungen an. Ein Standardkabel wird letztendlich durch eine oder mehrere dieser Belastungen seine Elastizitätsgrenze erreichen und versagen.

1. Längsdehnung (Zug)

Wenn der Boden austrocknet, übt die schrumpfende Erde eine hohe Reibung auf den Kabelmantel aus und zieht ihn von beiden Enden. Die meisten optischen Fasern haben eine maximale Dehnungstoleranz von etwa 0,2 %, bevor Mikrobending-Verluste das Signal dämpfen oder Makrobending zu Glasbruch führt.

2. Radialer Druck (Quellungsdruck)

Die Rehydrierung löst einen schnellen Volumenzuwachs aus, was zu einer radialen Druckbelastung führt. Dieser Quellungsdruck kann enorme Kräfte auf den Kabelmantel ausüben und wie ein hydraulischer Schraubstock wirken. Standardkabel mit minimalen Mänteln bieten wenig Widerstand, wodurch Pufferrohre sich verformen und die Fasern gegen die Rohrwand drücken können, was eine hohe Dämpfung hervorruft.

3. Axiale Kompression (Knickung)

Dies ist der kritischste und am wenigsten berücksichtigte Versagensmodus in quellfähigen Umgebungen. Wenn sich der Boden ausdehnt, drückt er oft axial entlang des Kabels zu stabileren Punkten. Viele Kabel verfügen über begrenzte Zugelemente, die hauptsächlich für das Ziehen während der Installation konzipiert sind. Einige sind mit Aramidgarnen (wie Kevlar) verstärkt, die eine ausgezeichnete Zugfestigkeit, aber keine Druckfestigkeit bieten. Sie sind im Wesentlichen Seile, die unter Druck schlaff werden.

Unter axialen Drucklasten knicken und verdrehen sich Standardkabel. Dies zwingt die Glasfasern in einen Biegeradius von weniger als 30 mm, was zu katastrophalen optischen Verlusten oder einem vollständigen physischen Versagen führt.

Eine technische Lösung

Der Einsatz traditioneller „normaler“ Kabel in Schwarzerde oder quellfähigen Böden ist oft problematisch. Diese Kabel sind einfach nicht dafür ausgelegt, den Kräften standzuhalten, die Schwarzerde auf sie ausübt, und versagen daher schnell schon nach moderaten Bodenbewegungen. ScaleFibre hat sein Portfolio an hochfesten Kabeln so konzipiert, dass sie zusätzlichen Widerstand gegen Umwelteinflüsse bieten als Standard-Glasfaserkabel. Es gibt zwei Hauptdesigns – das hochfestes einmanteliges unbewehrtes Glasfaserkabel (ausgelegt für 6kN Zugfestigkeit) und das hochfestes nichtmetallisch bewehrtes Glasfaserkabel (ausgelegt für 20kN). Ersteres bietet etwa die dreifache Zugfestigkeit herkömmlicher Bündeladerkabel, während letzteres etwa die zehnfache Zugfestigkeit bietet (und die Fähigkeit des Kabels, Nagetierschäden zu widerstehen, erheblich erhöht).

Stufe 1: Hohe Festigkeit (6kN)

Die 6kN-Hochfestigkeitsstufe bietet eine deutliche Verbesserung gegenüber der branchenüblichen Zugfestigkeitsgrenze von 2kN und wurde speziell entwickelt, um erhöhten Installations- und Umweltlasten standzuhalten. Dieses Kabeldesign verwendet einen speziellen Polyethylen (PE)-Mantel, der mit proprietären Verbesserungen integriert ist, die seine mechanische Belastbarkeit drastisch erhöhen, ohne zusätzliche Schichten zu benötigen. Während ein schlankes Profil beibehalten wird, konzentriert sich dieses Design auf die Maximierung der Zugkapazität und Druckfestigkeit des Kabels und bietet eine hohe Haltbarkeit innerhalb einer einmanteligen Struktur. Dies macht es zu einer effizienten Wahl für diese Arten von Hochlastinstallationen, bei denen Standardkabel unzureichend sind.

Dieses Kabel ist nicht bewehrt und daher nur so nagetierresistent wie herkömmliche unbewehrte Kabel.

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Hochfestes LWL-Außenkabel mit losem Bündelrohr

Hochfestes, widerstandsfähiges Bündelrohr für kritische Netzwerkstrecken, entwickelt für Robustheit, wo Bodenbewegungen oder raue Bedingungen die Dienstkontinuität gefährden.

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Stufe 2: NMA Hochfestigkeit (20kN)

Das nichtmetallisch bewehrte hochfeste Design treibt den Kabelschutz noch weiter. Ideal für kritische Kabel in Hochrisiko-Bodenumgebungen, verwendet diese Version massive pultrudierte GFK (glasfaserverstärkter Kunststoff) Stäbe. Dies unterscheidet sich von den gebräuchlicheren Bewehrungen aus Glasgarn und hat den zusätzlichen Vorteil, eine signifikante strukturelle Steifigkeit zu bieten. Es bietet deutlich mehr Schutz vor Nagetieren und ähnlichen Schäden, da die GFK-Stäbe dicker, stärker sind und eine bessere Abdeckung bieten als “Bewehrungen” aus Garn.

Diese massiven Stäbe bieten axiale Druckfestigkeit (ACR). Sie wirken als Träger, die die lineare Integrität des Kabels aufrechterhalten und Schäden durch Kompression und das Knicken, das Standardkabel beeinträchtigt, wirksam verhindern.

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Hochfestes gepanzertes Bündelader-Glasfaserkabel für den Außenbereich

Extrem hochfestes gepanzertes Bündeladerkabel für kritische Netzwerke, die dort eingesetzt werden, wo Bodenbewegungen oder raue Bedingungen die Betriebskontinuität gefährden.

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Der dielektrische Vorteil

Im Gegensatz zu metallisch bewehrten Kabeloptionen, die typischerweise nicht genügend Festigkeit für Schwarzerde-Anwendungen bieten, bietet das voll-dielektrische Design (metallfrei) beider ScaleFibre Hochleistungskabel wesentliche betriebliche Vorteile für Langstrecken-Backbones:

Elektromagnetische Immunität

Langstreckenrouten verlaufen oft parallel zu Hochspannungsleitungen. Dielektrische Kabel sind nicht leitfähig und schützen das Netzwerk vor induzierten Strömen und Blitzeinschlägen, die metallisch bewehrte Alternativen katastrophal zum Schmelzen bringen können.

Betriebliche Effizienz

Im Gegensatz zu metallischen Bewehrungen benötigen dielektrische Kabel keine Erdung oder Verbindung an den Eintrittspunkten, was den Arbeitsaufwand vor Ort und die Materialliste (BoM) erheblich reduziert. In vielen Gerichtsbarkeiten können sie auch bestehende elektrische Leitungen oder Leerrohre teilen, wo metallische Kabel verboten sind.

Chemische Stabilität

GFK-Stäbe sind chemisch inert und korrosionsbeständig. Dies ist bei metallischen Kabeln in feuchten, sauren Böden üblich, was die Lebensdauer des Kabelsystems negativ beeinflusst. Korrosion reduziert nicht nur die Nagetierresistenz der metallischen Bewehrung, sondern auch die Festigkeit des Kabels.

Fazit

Der Aufbau eines nachhaltigen digitalen Backbones durch reaktiven Boden erfordert eine Ingenieurphilosophie, die geotechnische Auswirkungen berücksichtigt. Der Einsatz von standardmäßigen unbewehrten oder garnbewehrten Kabeln in diesen Umgebungen führt zu einem Wartungszyklus und eventuellem Versagen. Die Massivstab-Architektur von ScaleFibre stellt den Unterschied zwischen einer wartungsintensiven Haftung und einem dauerhaften Infrastrukturanlage dar.