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Defect detection in concrete pile using impulse response measurements with sine sweep excitations
(2015)
For pile integrity inspection, a low cost and portable shaker was used to create the sine sweep signal for pile excitation. The impulse response function, calculated by the deconvolution of pile response from the sine sweep excitation, was proposed to identify the echoes in the piles due to the pile’s impedance changes. The proposed methodology has been evaluated and validated both numerically and experimentally. Based on the results from the simulations and experiments, it was found that the impulse response measurement with sine sweep excitation could be an effective tool to detect the echoes of the pile toe and the defects in the pile.
Modern geophysical methods might be either directly applied to concrete structures or integrated into existing testing schemes to assist in quality assurance and inspections. This paper gives an overview on some ideas and developments from the author’s work:
• Vibrator technologies to improve pile integrity testing.
• Ideas from vertical seismic profiling used in multichannel pile inspection
• Cross- and downhole seismics to check the diameter of jet grouting columns
• Improving the parallel seismic methods for precise length measurement of piles and foundation walls
• Seismic migration methods to improve ultrasonic imaging of foundation slabs
• Seismological tools to monitor subtle changes in concrete constructions
The authors strongly believe that the cooperation between geophysics and civil engineering, which is obviously becoming stronger and stronger, will lead to a large number of innovative approaches.
Die beiden in dieser Arbeit dargestellten Beispiele zeigen, dass sich die Low-strain-Pfahlintegritätsprüfung noch über den bisherigen, schon sehr erfolgreichen Stand hinaus entwickeln kann. Der Einsatz von Vibratortechnik und passender mathematischer Methoden bietet das Potential, Prüfungen auch unter bisher nicht lösbaren Randbedingungen durchzuführen. Dazu gehören sehr schlanke Pfähle und Messungen bei hohem Störpegel. Der erhöhte Mess- und Auswerteaufwand ist jedoch im Einzelfall gegenüber dem erzielbaren Erfolg abzugleichen. Apparativ müssen noch Entwicklungsarbeiten geleistet werden, um einen einfachen und zuverlässigen Einsatz in der Praxis zu ermöglichen. Die Messung mit mehreren Sensoren entlang des Pfahls kann schon heute in der Praxis eingesetzt werden. In vielen Fällen lassen sich damit auch Messungen an Pfählen im Bestand durchführen, bei denen die konventionelle Pfahlprüfung aufgrund von überlagernden Signalen aus der aufgehenden Struktur versagt.
Das Ultraschall-Echo-Verfahren ist eine wichtige Methode der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP). Prüfaufgaben im Bauwesen beinhalten unter anderem die korrekte Dickenbestimmung von Konstruktionen, sowie die Lokalisierung von Einbauteilen und Fehlstellen. Das Abbildungsverfahren RTM (Reverse Time Migration) liefert oft bessere Bilder als konventionelle Verfahren. Die Datenaufnahme am Betonprobekörper erfolgte mit einem Scannersystem der BAM, bei dem jeweils ein Ultraschall-Prüfkopf als Sender bzw. Empfänger diente. Es wurden senkrecht zur Profilrichtung horizontal polarisierte Scherwellen genutzt. Die RTM wurde mit dem Softwarepaket Madagascar gerechnet.
Die Ergebnis zeigt das Potential dieser Methode im Bezug auf komplexe Strukturen. Die lateralen Positionen der Risse im RTM-Bild sowie deren Höhe innerhalb des Probekörpers, entsprechen recht genau dem visuellen Befund.
The ultrasonic echo technique is widely used in non-destructive testing (NDT) of concrete objects for thickness measurements, geometry determinations and localization of built-in components. To improve ultrasonic imaging of complex concrete structures, we transferred a seismic imaging technique, the Reverse Time Migration (RTM), to NDT in civil engineering. RTM, in contrast to the conventionally used synthetic aperture focusing technique (SAFT) algorithms, considers all wavefield types and thus, can handle complex wave propagations in any direction with no limit on velocity variations and reflector dip. In this paper, we focused on the development, application and evaluation of a two-dimensional elastic RTM algorithm considering horizontally polarized shear (SH) waves only. We applied the elastic SH RTM routine to synthetic ultrasonic echo SH-wave data generated with a concrete model incorporating several steps and circular cavities. As these features can often be found in real-world NDT use cases, their imaging is extremely important. By using elastic SH RTM, we were able to clearly reproduce almost all reflectors inside the concrete model including the vertical step edges and the cross sections of the cavities.We were also capable to show that more features could be mapped compared to SAFT, and that imaging of complex reflectors could be sharpened compared to elastic P-SV (compressional-vertically polarized shear) RTM. Our promising results illustrate that elastic SH RTM has the potential to significantly enhance the reconstruction of challenging concrete structures, representing an important step forward for precise, high-quality ultrasonic NDT in civil engineering.
The ultrasonic echo technique is frequently used in non-destructive testing (NDT) of concrete structures for thickness measurements, geometry determinations as well as localization of built-in components. To improve ultrasonic imaging of complex structures in concrete, we transferred a geophysical imaging technique, the reverse time migration (RTM), to NDT in civil engineering. In contrast to the conventionally used synthetic aperture focusing technique (SAFT) algorithms, RTM is a wavefield continuation method in time and uses the full wave equation. Thus, RTM can handle complicated wave propagations in any direction without dip limitation. In this paper, we focused on the application and evaluation of a two-dimensional (2D) elastic RTM algorithm considering compressional waves, vertically polarized shear waves, and Rayleigh waves. We tested the elastic RTM routine on synthetic ultrasonic echo data generated with a 2D concrete model consisting of several steps and circular air inclusions. As these complex structures can often be found in real-world NDT use cases, their imaging is especially important. By using elastic RTM, we were able to clearly reproduce vertical reflectors and lower edges of circular air voids inside our numerical concrete model. Such structures cannot be imaged with conventional SAFT algorithms. Furthermore, the used elastic RTM approach also yielded a better reconstruction of a horizontal reflector and upper boundaries of circular air inclusions. Our encouraging results demonstrate that elastic RTM has the potential to significantly improve the imaging of complex concrete structures and, thus, is a step forward for detailed, high-quality ultrasonic NDT in civil engineering.
The ultrasonic echo technique is a frequently used method in non destructive testing for geometry Determination of concrete building elements. Important tasks are thickness measurements as well as the localization and characterization of built-in components and inhomogeneities.
Currently mainly the synthetic aperture focusing family of techniques (SAFT) is used for imaging. These algorithms have difficulties in imaging steeply dipping interfaces and complicated structures such as steps and lower boundaries of voids. As an alternative two geophysical migration methods, pre-stack Kirchhoff depth migration and pre-stack Reversetimemigration (RTM)were tested in this paper at a reinforced concrete foundation slab. The slab consists of various reinforcement contents, different thicknesses and two pile heads.
In a first step, both methods were evaluated with synthetic 2D data. In the second step, ultrasonic measurement data recorded with shear wave transducers on a line profile on the foundation slab were processed. The use of an automatic scanner simplified the measurements. A comparison of the geophysical migration results with those of SAFT shows, in particular for RTM, a significant improvement in the Imaging of the geometry of the foundation slab. Vertical borders were reconstructed and the location and structure of the lower boundary of the foundation slab were reproduced better. Limitations still exist in imaging the piles below the slab.
Das Ultraschall-Echo-Verfahren ist ein klassisches Verfahren in der zerstörungsfreien Prüfung zur Bestimmung der Geometrie von Bauteilen. Die Prüfaufgaben beinhalten unter anderem die korrekte Dickenbestimmung der Baukörper sowie die Lokalisierung von Einbauteilen und Fehlstellen. Stand der Technik bei den Abbildungsverfahren ist die SAFT–Rekonstruktion (Synthetic Aperture Focusing Technique). Diese Verfahrensfamilie hat Schwierigkeiten bei der Darstellung von steilen Grenzflächen und komplizierten Strukturen, wie beispielsweise Stufen oder Unterkanten von Hohlräumen und Hüllrohren. Als Alternative werden seit einiger Zeit geophysikalische Migrationsmethoden evaluiert. Am Beispiel eines Stahlbetonfundamentes mit verschiedenen Bewehrungsgehalten, unterschiedlichen Dicken sowie zwei Pfahlköpfen wurden die Kirchhoff-Migration und die Reverse-Time Migration (RTM) getestet. Die strahlenbasierte Kirchhoff-Migration arbeitet ähnlich wie die SAFT-Rekonstruktion. Die RTM basiert auf der vollständigen Wellengleichung.
In einem ersten Schritt wurden die Methoden an einem synthetischen, auf der akustischen Wellengleichung basierenden zweidimensionalem Modell getestet. Im zweiten Schritt wurden reale Messdaten, die mit Scherwellenprüfköpfen an der Fundamentplatte aufgenommen wurden, bearbeitet. Der Einsatz eines Scannersystems vereinfachte die Messungen. Die Experimente, die in diesem Manuskript vorgestellt werden, sind von bedeutendem Interesse für die Evaluierung geophysikalischer Migrationsmethoden an analogen Modellen.
Ein Vergleich der Migrationsergebnisse mit den bisherigen SAFT-Ergebnissen zeigt insbesondere für die RTM eine deutliche Verbesserung in der Abbildung der Bauteilgeometrie. Vertikale Kanten konnten dargestellt sowie die Lage und Struktur der Rückwände exakter reproduziert werden. Grenzen bestehen noch bei der Darstellung der Pfahlköpfe, da die von dem zylinderförmigen Pfahl kommenden Signale verrauscht sind. Ursachen dafür sind u.a. die Bewehrung, Randeffekte sowie Mehrfachreflexionen an dem Pfahlschaft.
To improve ultrasonic imaging of concrete structures, we transferred a seismic migration technique, the Reverse Time Migration (RTM), to non-destructive testing. A 2D elastic RTM algorithm was tested on synthetic ultrasonic echo data. Compared to the typically used synthetic aperture focusing technique (SAFT) as well as our acoustic RTM algorithm, the presented elastic RTM results show an enhancement in imaging vertical reflectors and complex features inside the 2D numerical concrete model.