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Organisationseinheit der BAM
Zerstörungsfreie Prüfverfahren liefern wichtige Informationen zur Beurteilung von Bauwerken. Mit ihnen können Materialeigenschaften bestimmt oder die innere Struktur von Bauteilen beschrieben werden. Für letzteres werden in der Regel Volumenverfahren angewandt. Einen besonderen Stellenwert haben in der Praxis die Radar- und die Ultraschall-Echoverfahren.
Ihre Anwendung erfordert lediglich eine einseitige Zugänglichkeit
zum Bauteil. Zudem lassen sich zahlreiche unterschiedliche Prüfaufgaben lösen. Zum Stand der Technik gehören beispielsweise die Ortung von Bewehrung und Spannkanälen, die Bestimmung der Dicke von Bauteilen oder die Fehlerlokalisierung.
In diesem Beitrag wird gezeigt, wie mithilfe von Ultraschall-Echomessungen gesammelte Messwerte in ein quantitatives Messergebnis überführt werden können, das wiederum in ingenieurtechnische Berechnungen einfließen kann. Einleitend werden die Prüfmethode und die Messtechnik erläutert. Anschließend wird das Vorgehen von der Auswertung der Messergebnisse bis zur Bestimmung der bautechnischen
Kenngröße – Bauteildicke – gezeigt. Abschließend wird die Methodik an einem Referenzprüfkörper aus Polyamid demonstriert und den Ergebnissen von Messungen an Beton gegenübergestellt.
Im Jahr 2011 hat der Bundestag in Deutschland den Ausstieg aus der Kernenergie beschlossen. Der angefallene Abfall wird mehr als hunderttausend Jahre eine derartig hohe Aktivität besitzen, dass er eine erhebliche Gefahr für nachfolgende Generationen darstellen kann. Dieser radioaktive Abfall soll in tiefen geologischen Formationen (z.B. Salz, Ton oder Kristallin) sicher endgelagert werden. Die Endlager werden mittels sogenannter geotechnischer Abdichtbauwerke (Schachtbzw. Streckenverschlüsse) verschlossen, wofür u.a. Zement- oder Sorel-basierte Baustoffe (Betone) in Frage kommen. Die Beschreibung des Dichtvermögens dieser Bauwerke ist unabdingbar. In der Forschungsphase werden verschiedene Werkstoffe untersucht und Methoden für die zerstörungsfreie Untersuchung der Bauwerke als Mittel der Qualitätsprüfung entwickelt. Hierbei ist der Nachweis der Rissfreiheit bzw. die Detektion möglicher Risse ein vorrangiges Thema. In den letzten Jahren konnten bereits umfangreiche Erfahrungen mit der Untersuchung von in-situ-Versuchsobjekten in Realmaßstab gesammelt werden. Die Messungen wurden im Endlager für radioaktive Abfälle Morsleben am in-situ-Versuch “Abdichtbauwerk im Steinsalz” und in der Grube Teutschenthal am Großversuch GV2 durchgeführt. Es ist gelungen mit einem neu entwickelten Ultraschall-Messsystem Eindringtiefen bis ca. 9,0 m zu realisieren. Die Messungen mit dem Large Aperture Ultrasonic System in Kombination mit der Rekonstruktion-Methode Synthetic Aperture Focusing Technique zeigen, dass die zerstörungsfreie Prüfung von Abdichtbauwerken möglich und die Nutzung des Messsystems zur Qualitätssicherung bei der Erstellung der Verschlussbauwerke vielversprechend ist.
Durch die Einbeziehung von gemessenen Daten bei der Bewertung von bestehenden Bauwerken können Unsicherheiten bei der Beurteilung des Tragverhaltens reduziert werden, ohne das normative Zuverlässigkeitsniveau einzuschränken. Informationen sind die wesentliche Grundlage für die Analyse der Zuverlässigkeit von Tragwerken. Umso wichtiger ist die Kenntnis über die Präzision und die Richtigkeit der verwendeten Informationen. Aus messtechnischer Sicht kann ein Messwert, dem keine Messunsicherheit beigeordnet wurde, als wertlos erachtet werden. Liegt ein vollständig dokumentiertes Messergebnis vor, so ist die Qualität der gemessenen Information bekannt und deren Vergleichbarkeit gewährleistet. In diesem Beitrag wird am Beispiel einer Spannbetonbrücke und zweier Grenzzustände gezeigt, wie Messergebnisse aus der zerstörungsfreien Prüfung in probabilistische Nachweise von Bestandsbauwerken einfließen können und welche Auswirkungen die Implementierung von gemessenen Daten bei der Bewertung von Bestandsbauwerken haben kann.
Gegenüber dem Neubauentwurf können bei der Bewertung von bestehender Bausubstanz Sicherheitsreserven genutzt werden, da Unsicherheiten, die beim Bau auftreten können, besser bekannt oder nicht mehr vorhanden sind. Können solche Unsicherheiten genauer bewertet werden, z. B. durch die Feststellung der genauen Lage der Spannglieder bei einer Spannbetonbrücke, so können Sicherheitsbeiwerte reduziert werden, ohne dass es dabei zu Auswirkungen auf das normativ festgelegte Zuverlässigkeitsniveau kommt. Mittlerweile sind Prüfmethoden an Bauwerken wirtschaftlich einsetzbar und auch so leistungsfähig, dass die für die Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit wesentlichen Parameter identifiziert werden können. Ein wesentlicher Punkt ist hierbei die Integration derartiger Messergebnisse in Rechenmodelle, die für die Nachrechnung des Bauwerks verwendet werden. Dies können sowohl semiprobabilistische Rechenmodelle als auch vollprobabilistische Modelle sein. Bei semiprobabilistischen Methoden können aus den Messergebnissen Teilsicherheitsbeiwerte berechnet und abgeleitet werden, die dann in den bekannten Nachweisformaten gemäß den Eurocodes und der Nachrechnungsrichtlinie berücksichtigt werden. Bei vollprobabilistischen Nachweisen können die Messdaten in Form von Verteilungsdichtefunktionen mit gemessenen Variationskoeffizienten direkt in das Rechenmodell eingehen. In einer dreiteiligen Aufsatzreihe werden die Messverfahren und die Nutzung der Ergebnisse bei der Nachrechnung vorgestellt. Der vorliegende Teil 1 zeigt die Möglichkeiten des Einsatzes von zerstörungsfreien Prüfverfahren und bewertet deren Leistungsfähigkeit. Messen heißt wissen. Dieses Wissen spiegelt die Realität wider und soll den Tragwerksplaner bei der Entscheidungsfindung über die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Bestandsbauwerken unterstützen.
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).
Validation of artificial defects for non-destructive testing measurements on a reference structure
(2018)
Non-destructive testing was established over the last decades as an important tool for assessing damages, material characterization and quality assurance in civil engineering. For example, Ground Penetrating Radar (GPR) can be used to scan large areas of concrete structures to determine the spatial position of the reinforcement. With the ultrasonic echo method, the thickness of concrete structures can be easily determined even if a high density of reinforcement is given. Various methods and processes have been developed for the validation of NDT procedures aiming at ensuring the quality of measurements in practical use. The Probability of Detection (POD) for example, is an available method to compare different technical devices with each other quantitatively regarding their performance. With this method, the best suited testing device for a specific inspection task under defined boundary conditions can be selected. By using the Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (GUM), it is possible to quantify the measurement uncertainty of an inspection procedure for a specific task. Another important aspect to improve the acceptance of Non-destructive testing methods is the development of reference specimens.
Reference specimens serve for the calibration and further development of NDT methods under realistic conditions in different laboratories under the same conditions. A particular challenge here is the most realistic representation of a damage that can occur at building sites. Possible damages include for example horizontal and vertical cracks or honeycombs in concrete. Such a reference structure was built for the development of a new design of power plant constructions. Comparative studies on the manufacturing of realistic honeycombs and delaminations were carried out in advance on a test specimen. The results of this study are presented here.
Post-tensioning systems provide safe and efficient construction solutions for long span bridges. Despite the improved grouting practices over the past decade, existing post-tensioning systems may have significant amount of grout defects, which could lead to corrosion of the strands. Condition assessment of post-tensioning systems is necessary to allow bridge owners to take timely, proactive actions to mitigate or prevent further Deterioration and unanticipated tendon failures. A detailed experimental study conducted to assess the performance of nondestructive evaluation techniques in detecting grout defects within internal tendons is presented herein.
Nondestructive evaluation techniques that include Ground Penetrating Radar, Impact Echo, Ultrasonic Tomography, and Ultrasonic Echo are evaluated in terms of detecting the location and severity of fabricated grout defects in a full-scale post-tensioned U-girder mock-up specimen. While Ground Penetrating Radar can identify the location and profile of the internal tendons, particularly metal ducts due to strong reflections, this method did not provide any information about the defect conditions within the tendon. Both Impact Echo and Ultrasonic Echo techniques are effective in identifying the Location of grout defects, but could not differentiate between water, void, or compromised grout conditions. The study clearly demonstrates the need for NDE techniques that are applicable to anchorage regions, and that are capable of estimating the severity and nature of grout defects in internal tendons.
Der vorliegende Fachartikel stellt die wichtigsten zerstörungsfreien Prüfmethoden zur Qualitätssicherung von dünnen Strukturklebungen vor. Auf diese Weise wird ersichtlich, welche Methoden neben der zerstörenden Prüfung von dünnen Strukturklebungen eingesetzt werden können, um einen Haftfestigkeitsverlust zu detektieren. Steigende Leichtbau- und Dämpfungsanforderungen an großflächige Blechbauteile sorgen trotz erhöhter Kosten für einen zunehmenden Einsatz von modernen hybriden Schichtverbundwerkstoffen in zahlreichen Konstruktionsanwendungen. In der Luft- und Raumfahrtindustrie gehören solche Werkstoffe seit geraumer Zeit zum aktuellen Stand der Technik, wohingegen diese Werkstoffkonzepte in der mobilen Großserie derzeit nur selten zum Einsatz kommen. Neben dem Materialversagen der einzelnen Schichten von Schichtverbundwerkstoffen spielt das interlaminare Versagen der Schichten untereinander eine entscheidende Rolle. In der Umformtechnik ist es möglich, dass die polymere Zwischenschicht und das Deckblech nach der Umformung noch in Kontakt stehen, obwohl die Scherfestigkeit bereits überschritten wurde. Dieser Kraftschluss der beiden Fügepartner resultiert aus den schwachen Van-der-Waals-Kräften, die eine eindeutige Detektion mit Hilfe von zerstörungsfreier Prüfung erschweren. Die vorliegende Publikation soll die Eignung diverser zerstörungsfreier Prüfverfahren auf die Detektion von sogenannten „kissing bonds“ (schwaches Anhaften der Schichten nach Versagen der Verbindung) überprüfen.
Die Bestimmung der Belegreife von Estrichen erfolgt im Bauwesen meist unter Verwendung von zerstörenden Verfahren, die Probenentnahmen erfordern und nur punktuelle Daten liefern. Bei anhydritgebundenen Estrichen gelten 0,5 M% und bei zementgebundenen ca. 3,5 M% und höher als belegreifer Feuchtegehalt. Die Belegreife wird als Feuchtegehalt in Masseprozent (M%) bezogen auf die Trockenmasse des Baustoffes angegeben. Zur zerstörungsfreien Feuchtemessung existieren verschiedene einfach zu bedienende Handgeräte, die u. a. auf elektrischen, elektromagnetischen und kapazitiven Methoden beruhen. In dieser Arbeit wurden ein kapazitives (Kugelsonde), ein elektromagnetisches (Mikrowellensensoren) und ein elektrisches Messverfahren (Vierelektroden-Sonde) untersucht. Mit Ausnahme der Vierelektroden-Sonde weisen die Handgeräte keine ausreichende Sensitivität in Bereichen niedriger Feuchtegehalte unterhalb von 1 M% auf und scheinen somit nicht für anhydritgebundene Estriche geeignet zu sein. Für zementgebundene Estriche lassen sich hingegen mit allen getesteten Geräten Änderungen in dem Bereich der Belegreife erfassen. In dieser Arbeit wird zusätzlich die Wasserabgabe in g/m²/Tag als Bezugsgröße herangezogen. Die Wasserabgabe stellt ein geeigneteres Maß für die Schadensträchtigkeit dar und ermöglicht direkte Vergleiche unabhängig von der verwendeten Estrichart. Für alle getesteten Estriche konnte eine Wasserabgabe von ca. 8-10 g/m²/Tag als Belegreifegrenzwert bestimmt werden.
Vor dem Hintergrund der alternden Verkehrsinfrastruktur und des großen Bauwerksbestands allgemein gewinnt deren Zustandserfassung an Bedeutung. Durch die Einführung von Bauwerksmanagementsystemen und die Digitalisierung der Wirtschaft im Rahmen von Industrie 4.0 wird diese Entwicklung noch mehr Dynamik entfalten. Die Vernetzung von Zustandsdaten mit der Belastung, Wartung und Instandsetzung sowie der politischen Planung, wird eine hohe Bedeutung bekommen. Angesichts der Altersstruktur der Verkehrsinfrastruktur und begrenzter öffentlicher Gelder wird zukünftig eine selektive Instandsetzung von Bauwerken nach deren Zustandsnoten notwendig sein. Zerstörungsfreie Untersuchungsverfahren für Bauwerke nehmen in diesem Kontext eine wichtige Rolle ein, sie sollen die quantitativen Zustandsdaten erbringen und in die Datenbanken für Managementsysteme mit zuverlässigen und objektiven Messdaten füllen.
In diesem Beitrag werden zerstörungsfreie Untersuchungen mittels aktiver Thermografie an Probekörpern aus CFK und GFK mit unterschiedlichen künstlichen Fehlstellen vorgestellt. Dabei wird die zeitliche und örtliche Temperaturverteilung nach der Erwärmung mit Blitzlampen oder mit einem Infrarot-Strahler mit einer Infrarot-Kamera erfasst. Zur späteren Rekonstruktion der Messdaten wurde ein numerisches Modell entwickelt. Dazu war die Bestimmung der thermophysikalischen und optischen Materialeigenschaften erforderlich, was in diesem Beitrag ebenfalls beschrieben wird. Die Ergebnisse der numerischen Modellierung werden mit den experimentellen Untersuchungen der aktiven Thermografie verglichen. Weiterhin werden die experimentellen Untersuchungen hinsichtlich der beiden Materialsysteme CFK und GFK und unter Berücksichtigung der Teiltransparenz des GFK-Materials sowie der unterschiedlichen Anregungsquellen bewertet.
Flash thermography is a fast and reliable non-destructive testing method for the investigation of defects in carbon fiber reinforced polymer (CFRP) materials. In this paper numerical simulations of transient thermography data are presented, calculated for a quasi-isotropic flat bottom hole sample. They are compared to experimental data. These simulations are one important step towards the quantitative reconstruction of a flaw by assessing thermographic data. The applied numerical model is based on the finite-element method, extended by a semi-analytical treatment of the boundary of the sample, which is heated by the flash light. A crucial part for a reliable numerical model is the prior determination of the material parameters of the specimen as well as of the experimental parameters of the set-up. The material parameters in plane and in depth diffusivity are measured using laser line excitation. In addition, the absorption and heat transfer process of the first layers is investigated using an IR microscopic lens. The performance of the two distinct components of CFRP during heating – epoxy resin and carbon fibers – is examined. Finally, the material parameters are optimized by variation and comparison of the simulation results to the experimental data. The optimized parameters are compared to the measured ones and further methods to ensure precise material parameter measurements are discussed.
Zerstörungsfreie Feuchtemessung an Estrichen - ein multi-sensorischer Ansatz mit Methodenvergleich
(2015)
Feuchte und Salz können die Mikrostruktur poröser Baustoffe maßgeblich verändern, oft sind sie die Ursache von sowohl chemischen als auch mechanischen Schädigungen und Korrosion. Im speziellen Fall von Fußbodenestrichen ist gerade die Frage nach der Belegreife für Fußbodenleger von immer wiederkehrender Bedeutung. Dieser Beitrag beschäftigt sich mit den Vor- und Nachteilen verschiedener zerstörungsfreier, feuchtesensitiver Messmethoden und vergleicht die Ergebnisse mit denen der baustellenüblichen zerstörenden Tests. Kapazitive Methoden und Bodenradar scheinen am erfolgversprechensten im Bezug auf flächige Feuchtemessungen, aber auch sie eignen sich derzeit noch nicht als eigenständige, sofort ersetzbare Absolutmessgeräte, sondern eher als schnelle Relativverfahren fürs Monitoring.
Air voids in concrete like honeycombs are one of the major concerns regarding quality assurance for the construction of infrastructure buildings like bridges or tunnels. This paper shows that voids in reinforced concrete walls or slabs can be detected by two standard ground coupled GPR antennas in transmission mode using a two-side zero-offset profiling configuration like in borehole radar applications. For the detection of voids only the amplitudes of the direct wave in transmission mode are evaluated. Even when the depth of the void can not be detected in this configuration, the major advantage of the zero-offset profiling in transmission mode is a lower interference with the surrounding reinforcement compared to a regular one-side reflection profiling. The capability of the two-side zero-offset profiling is demonstrated on a test specimen with a set of polystyrene balls of two different sizes representing voids like honeycombs in concrete. GPR measurements are realized by an automated scanning system in order to allow for a synchronous movement of the antennas. In transmission mode voids can be detected at greater depths compared to reflection mode, since the travel path of the direct wave is half as long. Another characteristic of the transmission mode is that the direct wave through the air voids is faster and arrives earlier than the direct wave in the surrounding concrete. Hence it can be separated from the strong reflection of the reinforcement. Finally the measurements in transmission mode are less sensitive to the antenna frequency and polarization than in reflection mode.
Die Bewertung des Zustandes und der Haftung von Putz und Fassadenelementen auf den darunterliegenden Bauwerksstrukturen ist eine häufig auftretende Fragestellung bei der Erhaltung und Instandsetzung von Bauwerken und Baudenkmälern. Hier müssen nicht nur wirtschaftliche und denkmalpflegerische, sondern auch sicherheitsrelevante Aspekte berücksichtigt werden. Fehlstellen und Ablösungen können, auch wiederholend, mit hoher Nachweisempfindlichkeit mit aktiven Thermografieverfahren geortet und unter bestimmten Voraussetzungen quantitativ bewertet werden. Dazu wird der zu untersuchende Bereich zunächst kurzzeitig (mehrere Minuten lang) erwärmt und anschließend die Abkühlung mit einer Infrarotkamera aufgezeichnet. Systematische Untersuchungen an Probekörpern mit einer Vielzahl unterschiedlicher Fehlstellen unterhalb von Kalkputz, Fliesen und Klinkerriemchen zeigen, dass die Fehlstellen sowohl mittels künstlicher Erwärmung durch einen Infrarotstrahler als auch mittels natürlicher Erwärmung durch die Sonne detektiert und charakterisiert werden können. ---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
The evaluation of condition and adhesion of plaster and façade elements to the underlying building structure is a common issue in the maintenance and repair of buildings and monuments. Here not only economic and preservation, but also safety relevant aspects have to be considered. Voids and delaminations can be detected repeatedly with high sensitivity using active thermography methods. Under certain conditions, also a quantitative evaluation is possible. The area under investigation has to be heated up for a short time (up to several minutes). Subsequently, the cooling down is recorded using an infrared camera. Systematic studies on test specimens with a variety of defects below lime plaster, tiles and brick tiles show that the defects can be detected and even characterized both by means of artificial heating using an infrared heater, as well as by natural solar heating.
A discussion is provided on the relation between non-destructive testing (NDT) and fracture mechanics. The basic tasks behind this are to guarantee the safety of a component at a potential hazard loading event, to specify inspection intervals or, alternatively, of demands on NDT for a fixed inspection regime, to plan accompanying measures for cases of temporary continued operation of structures in which cracks have been detected, and, finally, fatigue strength considerations which take into account initial defects.
Für die luftgekoppelte Ultraschall-Prüfung wird der Prototyp eines neuartigen Prüfkopfes vorgestellt. Statt eines piezokeramischen Ultraschall-Wandlers mit einer λ/4-Anpassschicht wird eine Ferroelektret-Folie aus schaumförmigem Polypropylen eingesetzt. Durch die außerordentlich geringe akustische Impedanz der Folie reduzieren sich die Reflexionsverluste an den Grenzschichten zur Luft so stark, dass bei diesem Prüfkopf auf eine λ/4-Anpassschicht verzichtet werden kann. Außerdem ist die Folie hochspannungsfest. Sie konnte mit Spannungen von mehr als 3500 V angesteuert werden und erlaubte eine Vorspannung am Ultraschall-Wandler des Empfangsprüfkopfes von 2000 V. Mithilfe der hohen Anregungsspannung stieg die Amplitude des akustischen Prüfimpulses auf das 11,2-Fache. Die Empfindlichkeit des Empfängers erhöhte sich durch die Vorspannung weiter um den Faktor 4,3. Insgesamt steigt die Amplitude am Empfänger also auf das 48-Fache, bei gleichbleibendem Rauschpegel. Ein abschließender Vergleich mit kommerziellen Luftultraschall-Prüfköpfen belegt die Überlegenheit der Folien-Prüfköpfe. Damit rückt der Einsatz einer vollwertigen Impuls-Echo-Technik auch bei der luftgekoppelten Ultraschallprüfung deutlich näher.
Der Einsatz geführter Wellen für die
zerstörungsfreie Prüfung mit Ultraschall eröffnet neue Möglichkeiten,
räumlich ausgedehnte Bauteile mit begrenzter Zugänglichkeit
auf ihre Integrität zu prüfen und gewinnt daher
zunehmend an Bedeutung. Dieser Artikel behandelt die
physikalischen Grundlagen der Schallausbreitung. Deren Verständnis
bildet die Grundlage für die Entwicklung geeigneter
Prüfsysteme. An Beispielen werden verschiedene Möglichkeiten
zur Simulation der Schallausbereitung vorgestellt. Aktuelle
Lösungsansätze zur Prüfung von plattenförmigen Strukturen
und von Rohrleitungen werden beschrieben, wobei besonders
auf die Sensortechnik und die speziellen Anforderungen
an die Prüfhardware eingegangen wird. -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Guided waves are widely used for non-destructive
testing using ultrasound. Recently, the method has become increasingly
important for integrity tests of spatially extended
components with limited accessibility. This article discusses the
basic physics of the sound propagation of guided waves. Their
understanding forms the basis for the successful development
of adapted inspection systems. Examples for simulating the
wave propagation using different methods are presented. Current
approaches for the inspection of plate-like structures and
pipelines are described with focus on sensor technology and the
specific requirement on the test hardware.
Im Rahmen von Ertüchtigungsmaßnahmen an Spannbetonbrücken werden häufig Kernbohrungen durchgeführt, die die vorhandenen Spannbewehrungen nicht beschädigen dürfen. Die Zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) kann einen wesentlichen Beitrag leisten, das Risiko einer Beschädigung zu minimieren und somit eine bessere Planungssicherheit für die Ertüchtigungsmaßnahmen zu schaffen. Typische ZfP-Verfahren für das Auffinden von vorgespannter Bewehrung sind das Radar- und das Ultraschallverfahren. Am Beispiel der Ertüchtigung einer Brücke in Bremen wird die Vorgehensweise beschrieben, und es werden die Grenzen der Verfahren aufgezeigt.