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Die steigende Nachfrage von zerstörungsfreien Prüfverfahren, welche die Zeitinvestition verbessern und eine kontinuierliche Messung ermöglichen, erfordert die Entwicklung des luftgekoppltes Impakt-Echo-Messverfahrens. Diese Entwicklung kann durch die fluidische Anregung ermöglicht werden.
Das Ziel dieser vorliegenden Arbeit war der Aufbau einer Messapparatur, die auf Schnelligkeit setzt und kontinuierlich misst. Nach der Durchführung der fluidischen Anregung wurden mit Hilfe eines Laservibrometers die Daten aufgenommen. Zur Analysierung der auf diese Weise erhobenen Messwerte wurden sie mittels der Fast-Fourier-Transformation in den Frequenzbereich transformiert.
Für den Zweck der Validierung wurden Zylinder-Probekörper und Platten-Probekörper wurden verwendet. Die Messungen an den Zylinder-Probekörpern lieferten erfolgreiche Ergebnisse, während die Messungen an den Platten-Probekörpern weitere Untersuchung und Entwicklung benötigten werden.
In der folgenden als Promotionsschrift verfassten Arbeit wird ein methodischer Ansatz zur
qualitativen und quantitativen zerstörungsfreien Prüfung von oberflächennahen Strukturen im
Bauwesen mittels aktiver Thermografie entwickelt und erprobt.
Er adaptiert das aus der Werkstoffprüfung bekannte Verfahren der Puls-Phasen-Thermografie
(PPT) für die besonderen Anforderungen im Bauwesen.
Das mit Rechteckimpuls-Thermografie im Frequenzbereich bezeichnete Konzept gründet auf
dem vom Fachgebiet Baustoffe und Baustoffprüfung der Technischen Universität Berlin (TUB)
und der Fachgruppe VIII.2 Zerstörungsfreie Schadensdiagnose und Umweltmessverfahren der
Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) durchgeführten Forschungsvorhaben:
Struktur- und Feuchteuntersuchungen von Bauteil- und Bauwerksoberflächen mit der Impuls-
Thermografie, Teil 1 und Teil 2, gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG).
Es werden zunächst die Grundlagen der elektromagnetischen Strahlung, der Wärmeübertragung,
der Signalverarbeitung sowie der aktiven Thermografie dargestellt. Es folgt ein Kapitel über das
Thermografie-Konzept von TUB und BAM.
Nach einer Zusammenfassung von bereits unter Mitwirkung des Verfassers veröffentlichten
qualitativen Ergebnissen der Auswertung im Zeit- und Frequenzbereich wird ein neuer Ansatz
für die Defekttiefenbestimmung im Frequenzraum mittels der charakteristischen Frequenz des
maximalen negativen Phasen- und Amplitudenkontrastes zwischen Fehlstelle und ungestörtem
Bereich entwickelt und anhand von systematischen Untersuchungen an Probekörpern der BAM
überprüft. Die vom Verfasser in der Arbeit mit Rechteckimpuls-Spektral-Thermografie (RST)
bezeichnete Methode, die auch als eine Rechteckimpuls-Thermografie (RIT) im Frequenzbereich
oder eine durch Amplitudenauswertung ergänzte PPT für Rechteckimpulse verstanden werden
kann, soll die aus der Literatur bekannten Ansätze ergänzen und bietet eine Alternative für die
Tiefenbestimmung von Defekten bei Messungen mit langen Erwärmungs- und Beobachtungszeiten,
wie sie im Bauwesen häufig vorkommen.
Die Arbeit wird vervollständigt durch analytische Untersuchungen über den angeregten Wärme-
fluss sowie ergänzende Simulationsrechnungen und die Beschreibung werkstoffübergreifender
Praxisanwendungen zur Qualitätssicherung und zur Schadensdiagnose sowie zur Strukturuntersuchung
von Kulturgütern im Bauwesen. Sie schließt ab mit möglichen Perspektiven der aktiven
Thermografie im Bauwesen sowie mit einer Zusammenfassung.
Durch systematische Labor- und Auslagerungsuntersuchungen ist es möglich, sieben unterschiedliche nichtrostende Stahllegierungen hinsichtlich verschiedenster Anwendungen untereinander und auch in Bezug auf zwei austenitische Standardwerkstoffe (1.4301, 1.4404) zu vergleichen. Die parallele Untersuchung von fünf verschiedenen Oberflächenausführungen der jeweiligen Werkstoffe ermöglicht zudem, branchenspezifische Besonderheiten der Oberflächenausführung beim Werkstoffvergleich zu berücksichtigen. Der Einfluss der Oberflächenausführung wird überwiegend bei den Ergebnissen der Auslagerungsversuche in kritischen Atmosphären sichtbar, weniger bei den elektrochemischen Untersuchungen.
Die drei Vertreter aus dem Bereich der Duplexstähle zeigten unter den meisten Untersuchungsbedingungen eine hervorragende Korrosionsbeständigkeit. Insbesondere für Anwendungen im Bauwesen können die Lean-Duplexstähle deutliche Vorteile bieten. Der Manganaustenit 1.4376 sowie der Ferrit 1.4509 sind nur eingeschränkt als Alternativen geeignet, da die Werkstoffe bei einigen Versuchen signifikante Schwächen zeigten.---------------------------------------------------------------------------
The systematic laboratory and field exposure tests allow to compare seven different stainless steels among each other and also regarding two standard austenitic materials (1.4301, 1.4401) with respect to various applications. Parallel investigations with five different surface finishes of the respective materials enable to consider also industry-specific features of the surface finish. The influence of the surface finish can mainly be seen in the results of the exposure tests in critical atmospheres and less in the electrochemical investigations.
The three duplex stainless steels showed under most of the test conditions excellent corrosion resistance. Especially for applications in civil engineering the lean duplex steels offer clear advantages. The manganese alloyed 1.4376 and the ferritic steel 1.4509 are only limited suitable as alternatives as these materials showed significant weaknesses in some of the tests.
Der Einsatz von nichtrostenden Duplexstählen im Bauwesen findet in den letzten Jahren zu-nehmende Verbreitung. Insbesondere die Lean-Duplexstähle sind aufgrund geringerer not-wendiger Legierungszuschläge von Nickel und Molybdän eine kostengünstigere Alternative zu den jahrzehntelang etablierten austenitischen Stahlsorten. Verschiedene Korrosionsuntersu-chungen an der BAM sowie Erfahrungen aus der Anwendung konnten nachweisen, dass Lean-Duplexstähle unter verschiedenen Einsatzbedingungen ein vergleichbar gutes, in man-chen Fällen sogar besseres Korrosionsverhalten aufweisen als austenitische Referenzwerkstoffe der gleichen Korrosionswiderstandsklasse. Im Hinblick auf die technisch-mechanischen Eigenschaften konnten von der Fa. Modersohn initiierte Untersuchungen zeigen, dass unter Beachtung der gefügebedingten Einsatzgrenzen eine gute Verarbeitbarkeit und mechanische Sicherheit bei gleichzeitiger Materialeinsparung gewährleistet werden kann. Die positiven Ver-suchsergebnisse haben wesentlich zur Akzeptanz und einer damit einhergehenden Erweiterung der Einsatzgebiete dieser alternativen Werkstoffe im Bauwesen beigetragen.
Es wurden Untersuchungen hinsichtlich der Eignung und der praktischen Relevanz von codierten Sendesignalen als Anregungsimpulse für die Ultraschallprüfung von Betonbauteilen durchgeführt. Anhand von synthetischen Daten werden die theoretischen Vorteile der codierten Impulssequenzen gezeigt. Im Anschluss werden Barker- und Golay-codierte Sendesignale an einer Betonstufenplatte mit einem Größtkorn von 16 mm getestet.
Es zeigt sich das große Potenzial dieses Verfahrens, insbesondere bei Verwendung von Golay-Sequenzen als Anregung für die Ultraschallprüfköpfe. Es ergibt sich ein deutlich verbessertes Signal-Stör-Verhältnis im Vergleich zu den herkömmlichen bipolaren Rechteckimpulsen.
Dieses erste Memorandum zur Lehre und Forschung an deutschsprachigen Hochschulen auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Prüfung im Bauwesen gibt einen Überblick hinsichtlich der akademischen Ausbildung und zeigt mögliche Schwerpunkte vor allem in der Lehre auf. Diese Schwerpunkte berücksichtigen auch aktuelle Entwicklungen und Themen auf dem Gebiet der Forschung. Es werden Anregungen zur Entwicklung bzw. Weiterentwicklung der Lehr-Curricula im Hinblick auf eine umfassende und solide fachliche Ausbildung der Studierenden des Bauwesens und angrenzender Fachrichtungen gegeben. Inhaltlich und formal lehnt sich der Beitrag an dem Memorandum der Hochschullehrer im Fachgebiet „Werkstoffe im Bauwesen“ (Breit et al., 2012) an und beruht auf einer Initiative des Unterausschusses Ausbildung – Arbeitsgruppe Ausbildung in der Hochschule – des Fachausschusses ZfP im Bauwesen der Deutschen Gesellschaft für zerstörungsfreie Prüfung (DGZfP). Die Hauptredaktion wurde übernommen von Prof. Christian U. Grosse (TU München) und Prof. Ralf W. Arndt (FH Erfurt).