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During the re-use process of existing concrete memebers like foundations information about geometry and location of piles or strip foundation is necessary. Ultrasonic echo with a need of only one-sided access may provide this information and help the engineer to assess foundations. Cost effectiveness by the re-use of foundations gains an increasing economic role due to decreasing average economic lifetime of buildings on urban sites. Results of systematic ultrasonic echo investigations at a slab from 75 cm to 125 cm thickness with ten different reinforcement ratios are presented. The influence of the varying reinforcement ratio and thickness on the reliability of the results is shown. Available data-processing algorithms based on reconstruction calculation and imaging of results to reveal the geometry of a slab and the location of piles or strip foundations are introduced. Practical guidance for the application of ultrasonic echo and its limits are presented to ensure reliable results.
Zerstörungsfreie Prüfverfahren im Bauwesen werden zunehmend für großflächige und detaillierte Zustandsuntersuchungen von Bauwerken angewendet. Für gezielte Untersuchungen von spanngliedführenden Bereichen mit einem Schadensverdacht in Spannbetonbauwerken eignen sich die Prüfverfahren Ultraschallecho, Impakt-Echo und Radar. Eine nennenswerte Verbesserung der Ergebnisse und deren Interpretation wurde in den letzten Jahren durch die weiterführende Datenauswertung mit Hilfe von 3D-Rekonstruktionsrechnungen und der Kombination von Meßdaten durch Datenfusion erreicht. Die Anwendung der Verfahren mit automatisierter Meßwerterfassung wird für Fahrbahnplatten und Hohlkastenstege dargestellt und diskutiert. Ergebnisse einer Meßunsicherheitsbetrachtung und deren Bedeutung werden an einer Fundamentplatte aufgezeigt.
Translated Abstract
Automated Non-Destructive Assessment of Bridges
Non-destructive test methods in civil engineering are increasingly used for large-area investigations of structures. The test methods ultrasonic-echo, impact-echo and radar are well suited for detailed investigations of pre-stressed areas at pt-concrete structures. A significant improvement of the results and their interpretations has been achieved in recent years using advanced data analysis procedures such as 3D-reconstructions and the fusion of data. The automated application of the methods has been carried out successfully at decks and webs of pre-stressed box girder bridges. The achieved results are discussed in detail. The measurement uncertainty and its importance for the results are presented considering as example a foundation slab.
Obwohl THz-TDS-Systeme vielfältige Qualitätsparameter von Dielektrika ermitteln können, ist deren industrielle Nutzung im Bereich der zerstörungsfreien Bauteilprüfung noch nicht anerkannter Stand der Technik. Ein pragmatischer Weg, TDS-Systeme neben traditionellen Prüfverfahren zu etablieren, sind systematische Untersuchungen an Modellbauteilen, mit dem Ziel einer Methodenentwicklung zur zuverlässigen berührungslosen Prüfung von Dielektrika. Anhand von THz-TDS-Messungen an Polyethylen-Testkörpern mit künstlich eingebauten Fehlstellen werden anfänglich die Möglichkeiten der Laufzeitmessung zur Ermittlung von Tiefenlagen von Ungänzen in Testkörpern präsentiert. Im weitern Teil wird gezeigt, wie durch eine veränderte Versuchsdurchführung und Verwendung eines modifizierten SAFT-Rekonstruktions-Algorithmus Tomogramme berechnet werden können, in denen die künstlich eingebrachten Fehlstellen hinsichtlich ihrer Größe und Lage geometrisch richtig dargestellt werden.
Electromagnetic waves with frequencies between 0.1 and 10 THz are described as THz-radiation (T-ray). The ability to penetrate dielectric materials makes T-rays attractive to reveal discontinuities in polymer and ceramic materials. THz-Time Domain Spectroscopy Systems (THz-TDS) are available on the market today which operates with THz-pulses transmitted and received by optically pumped semiconductor antennas. In THz-TDS the travelling time (ToF) and shape of the pulse is changed if it interacts with the dielectric material and its inherent disconti-nuities. A tomogram of the object under the test can be reconstructed from time of flight diffraction (ToFD) scans if a synthetic focusing aperture (SAFT) algorithm is applied. Otherwise, planar discontinuities like cracks in plastics or delaminated lay-ers in composites can be abstracted as layers located at any angle in relation to the outer sample surface direction. A tomogram from the scanned sample can then be reconstructed in case the interactions of electromagnetic pulses with the existing in-herent interfaces are detectable and a model is assumed which describes the device under the test as multilayer structure composed of thin layers with different dielec-tric properties.
A short description of both the SAFT – and Optical Layer algorithm for the recon-struction of the inherent structure is initially given. Measurements on representative samples with a variety of artificially produced small and large scale. Reconstructed tomograms are presented to discuss and evaluate the benefits and limits of the two different reconstruction approaches.
The retroreflective corner echo is used, for example, in ultrasonic non-destructive testing of metals to find fatigue cracks in tubes or shafts. If the much weaker crack tip signal is additionally detected, the crack length can also be determined. A corner reflection occurs in cases of surface breaking cracks with predominantly perpendicular orientation to the surface. The intensity of the corner reflection depends on the angle of incidence and on the ultrasonic wave mode used. For the reliable detection of vertical surface breaking cracks in metals, transversal waves are commonly used, which propagate at an angle of 37° to 53° to the inspection surface. As shown in this contribution, the wide spread low frequency ultrasonic arrays with dry point contact sources available for ultrasonic testing of concrete also allow to receive corner echoes. These devices generate transversal waves in concrete structures with a large divergence of the sound field. A series of experiments was carried out with such dry point contact arrays on concrete specimens with artificial test defects and controlled induced cracks of different depths. The ultrasonic time-of-flight signals were recorded, exported and reconstructed utilising the SAFT (Synthetic Aperture Focusing Technique) algorithm. The SAFT reconstruction parameters were adjusted to visualize the corner echo indication. As will be shown, with this targeted processing, the reproducible detection of surface breaking cracks in concrete is possible. The retroreflective corner echo can thus be exploited in civil engineering for non-destructive inspection of concrete.
The inspection of austenitic and dissimilar welds using ultrasound demands for sophisticated testing techniques. The application of reconstruction methods like the Synthetic Aperture Focusing Technique (SAFT) on the measurement results provides an appropriate approach for defect characterization and sizing. Nevertheless, the reconstruction algorithm has to consider the aniso-tropic wave propagation inside the inhomogeneous weld material. In recent years the detection of transverse cracks has become increasingly important for ensuring the structural integrity of pipes in the primary circuit of nuclear power plants or longitudinally welded, cladded pipes. However, relia-ble inspection techniques are hardly available. In this particular case, it is expected that the compar-atively long propagation path of the ultrasonic wave field inside the inhomogeneous weld material enhances the effect of anisotropy and influences the accuracy and the signal-to-noise-ratio of the reconstruction result. In this contribution we suggest an advanced ultrasonic testing technique for detecting and sizing of transversal cracks in austenitic and dissimilar welds. The method applies a SAFT reconstruction algorithm considering the anisotropy and the inhomogeneity. A V-arrangement of the transducers in pitch-catch technique is chosen to avoid a direct coupling on the weld face. The reconstruction algo-rithm is based on an extended 3-dimensional weld model and uses a ray-tracing approach for de-termining the wave propagation paths. Along with the reconstruction algorithm the transducer set-up and experimental results of different specimens with artificial transverse flaws are presented. The availability of the proposed method for crack sizing is assessed in comparison to conventional testing techniques.
SAFT-Rekonstruktion für die Querfehlerprüfung in austenitischen Schweißnähten und Mischnähten
(2013)
Die Untersuchung austenitischer Schweißnähte ist eine Herausforde-rung für die zerstörungsfreie Prüfung mit Ultraschall, bei der die Anwendung her-kömmlicher Prüftechniken häufig keine zufriedenstellenden Ergebnisse liefert. Die Ursache dafür ist das inhomogen-anisotrope Gefüge im Schweißnahtbereich, das zu einer Verzerrung des Schallfeldes und damit zu Schwierigkeiten bei der Auffindbarkeit und bei der Größenbestimmung von Fehlern führt. Eine neue Her-ausforderung ist die Detektion von Querfehlern in Rohrleitungen des Primärkreises von Kernkraftwerken, aber auch in längsnahtgeschweißten, plattierten Rohrleitun-gen, die zunehmend an Bedeutung gewinnt. Dabei können die Prüfköpfe auf Grund einer unbeschliffenen Decklage meist nicht direkt auf die Naht aufgesetzt werden. Vielmehr muss eine SE-Anordnung der Köpfe verwendet werden, bei der durch die längeren Schallwege der negative Einfluss des austenitischen Gefüges noch ver-stärkt wird.
Im vorliegenden Beitrag wird eine RT-SAFT-Prüftechnik vorgeschlagen, mit der die Fehlerdetektion deutlich verbessert werden konnte. Dabei wurde die SAFT-Rekonstruktion mit einem Ray-Tracing-Ansatz zur Bestimmung der Schalllaufwege und -laufzeiten und mit einem Schweißnahtmodell kombiniert. Das Schweißnaht-modell repräsentiert die Kornorientierung und die elastischen Konstanten in einer diskretisierten Form und macht so die komplexe Nahtstruktur für die Berechnung zugänglich.
Die Aufnahme der Messdaten erfolgt mit zwei Gruppenstrahlerprüfköpfen in V-Anordnung, die beidseitig der Schweißnaht geführt werden sind.
Im Beitrag werden die Prüfanordnung und das Rekonstruktionsverfahren vor-gestellt und die Ergebnisse von experimentellen Untersuchungen an austenitischen Schweißnähten und Mischnähten mit künstlich eingebrachten Testfehlern präsen-tiert. Die Ergebnisse der direkten Fehlergrößen- und -lagebestimmung werden mit den Resultaten konventioneller Prüftechniken verglichen.
Verbesserung und Qualifizierung der Ultraschallprüfung von Mischnähten im Primärkreis von KKW
(2017)
Die im Primärkreislauf von Kernkraftwerken anzutreffenden austenitischen Schweiß- und Mischnähte sind nicht nur extrem sicherheitsrelevant, sondern stellen auch sehr hohe Anforderungen an die Materialprüfung. Neben der eingeschränkten Zugänglichkeit ist das makroskopische Gefüge der Schweißnaht für die Prüfung mit Ultraschall von höchster Bedeutung.
Um Materialfehler zuverlässig in Position und Größe bestimmen zu können, müssen die Kornorientierungen und die elastischen Konstanten des anisotropen Schweißnahtgefüges bekannt sein. Für die bildgebende Darstellung möglicher Materialfehler kommen folgende Arbeitsschritte zum Einsatz: Zunächst wird die Schweißnaht durchschallt, um mit einem inversen Verfahren wichtige Schweißnahtparameter wie beispielsweise die Kornorientierung bestimmen zu können. Auf der Basis dieser Parameter werden im nächsten Schritt die Schallwege mittels Raytracing (RT) simuliert. Zuletzt werden dieser RT-Simulation die Messdaten (A-Scans) von verschiedenen Sender- und Empfängerpositionen zugeordnet und nach der SAFT-Methode (Synthetic Aperature Focusing Technique) zeitaufgelöst überlagert. Die Kombination aus inversem Verfahren, RT und SAFT gewährleistet auch in anisotropen Werkstoffen eine ortsrichtige Visualisierung der Fehler.
Wir erläutern diese drei Verfahren und stellen die Prüfanordnung von Prüfkörpern mit künstlichen Testfehlern vor. Messdaten sowie deren Auswertung werden mit den Ergebnissen einer CIVA-Simulation verglichen.