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Implementation and validation of robot-enabled embedded sensors for structural health monitoring
(2024)
In the past decades, structural health monitoring (SHM) has matured into a viable supplement to regular inspections, facilitating the execution of repair and maintenance work in the early stages of structural damage. With the advent of wireless technologies and advancements in information and communication technologies, civil infrastructure has been increasingly instrumented with wireless sensor nodes to record, analyze, and communicate data relevant to SHM. A promising method for SHM is to embed sensors directly into concrete for recording SHM data from inside structural elements. In this paper, a sensor system for embedment into concrete is proposed, able to assess SHM data recorded from concrete. Power is supplied to the sensors on-demand by quadruped robots, which also collect the SHM data via radio-frequency identification (RFID), providing an automated and efficient SHM process. In laboratory experiments, the capability of the sensor system of automatically collecting the SHM data using quadruped robots is validated. In summary, the integration of RFID technology and robot-based inspection presented in this study demonstrates a vital approach to evolve current SHM practices towards more digitalized and automated SHM.
We present a distributed polymer optical fiber sensor system for deformation monitoring of geotechnical infrastructure. The sensor system is based on the digital incoherent optical frequency domain reflectometry (I-OFDR) for the detection of local strain events along a perfluorinated polymer optical fiber (PF-POF) used as a sensing fiber. For the best possible load transfer, the PF-POFs were integrated onto geosynthetics which pose a sensor carrier for the sensing fiber. By using elastic PF-POF instead of a standard glass fiber as a sensing fiber the strain range of geosynthetics-integrated fiber optic sensors could be extended up to 10 % in accordance with the end-user requirements.
Distributed fiber optic strain sensing for structural health monitoring of 70 MPa hydrogen vessels
(2024)
We report on the development and testing of 70 MPa hydrogen pressure
vessels with integrated fiber optic sensing fibers for automotive use. The paper deals with the condition monitoring of such composite pressure vessels (CPVs) using the optical backscatter reflectometry (OBR) applied for a distributed fiber optic strain sensing along fully integrated polyimide-coated single-mode glass optical fiber (SM-GOF). The sensing fibers were embedded into the vessel structure by wrapping them over the polymer liner during the manufacturing process of the carbon fiber reinforced polymer (CFRP). Detecting local strain events by the integrated fiber optic sensors can be an opportunity for monitoring the material degradation of CPVs under static and cyclic loading.
Laser Powder Bed Fusion (PBF-LB/M) of AISI 316L stainless steel has gained popularity due to its exceptional capacity to produce complex geometries and hierarchical microstructures, which can increase the yield strength while maintaining good ductility. Nevertheless, owing to high thermal gradients encountered during the process, the as printed 316L stainless steel often exhibit microstructural heterogeneities and residual stresses, which can limit its performance in demanding environments. Hence, employing heat treatments which balance the reduction of residual stresses while retaining improved static strength may be beneficial in various scenarios and applications. This study investigates the impact of post-processing heat treatments on the microstructure of 316L stainless steel manufactured via PBF-LB/M, along with its correlation with micro-hardness properties. To this end, 6 different heat treatments, i.e., 450 °C for 4h, 700 °C for 1h, 700 °C for 3h, 800 °C for 1h, 800 °C for 3h, and 900 °C for 1h, were applied to different specimens and Vickers hardness measurements (HV1) were performed in all states. At 800 °C, although the cellular structure appears to be retained, there is an observable increase in cellular size. However, while treatments exceeding 900 °C indicate no significant grain growth compared to other conditions, the cellular structure is entirely dissolved, which leads to a reduced Vickers hardness. The effect of the heat treatments on other microstructural features such as grain size and morphology, melt pool boundaries (MPB), crystallographic texture, chemical segregation, dispersoids and phase stability are also discussed in the present work
The general term additive manufacturing (AM) encompasses processes that enable the production of parts in a single manufacturing step. Among these, laser powder bed fusion (PBF-LB) is one of the most commonly used to produce metal components. In essence, a laser locally melts powder particles in a powder bed layer-by-layer to incrementally build a part. As a result, this process offers immense manufacturing flexibility and superior geometric design capabilities compared to conventional processes. However, these advantages come at a cost: the localized processing inevitably induces large thermal gradients, resulting in the formation of large thermal stress during manufacturing. In the best case, residual stress remains in the final parts produced as a footprint of this thermal stress. Since residual stress is well known to exacerbate the structural integrity of components, their assessment is important in two respects. First, to optimize process parameter to minimize residual stress magnitudes. Second, to study their effect on the structural integrity of components (e.g., validation of numerical models). Therefore, a reliable experimental assessment of residual stress is an important factor for the successful application of PBF-LB. In this context, diffraction-based techniques allow the non-destructive characterization of the residual stress. In essence, lattice strain is calculated from interplanar distances by application of Braggs law. From the known lattice strain, macroscopic stress can be determined using Hooke’s law. To allow the accurate assessment of the residual stress distribution by such methods, a couple of challenges in regard of the characteristic PBF-LB microstructures need to be overcome.
This presentation highlights some of the challenges regarding the accurate assessment of residual stress in PBF-LB on the example of the Nickel-based alloy Inconel 718. The most significant influencing factors are the use of the correct diffraction elastic constants, the choice of the stress-free reference, and the consideration of the crystallographic texture. Further, it is shown that laboratory X-ray diffraction methods characterizing residual stress at the surface are biased by the inherent surface roughness. Overall, the impact of the characteristic microstructure is most significant for the selection of the correct diffraction elastic constants. In view of the localized melting and solidification, no significant gradients of the stress-free reference are observed, even though the cell-like solidification sub-structure is known to be heterogeneous on the micro-scale.
The damage mechanisms of metallic components produced by process laser powder bed fusion differ significantly from those typically observed in conventionally manufactured variants of the same alloy. This is due to the unique microstructures of additively manufactured materials. Herein, the focus is on the study of the evolution of creep damage in stainless steel 316L specimens produced by laser powder bed fusion. X-ray computed tomography is used to unravel the influence of the process-specific microstructure from the influence of the initial void distribution on creep damage mechanisms. The void distribution of two specimens tested at 600 °C and 650 °C is analyzed before a creep test, after an interruption, and after fracture. The results indicate that the formation of damage is not connected to the initial void distribution. Instead, damage accumulation at grain boundaries resulting from intergranular cracking is observed.
Laser powder bed fusion (PBF-LB/M) of metallic alloys is a layer-wise additive manufacturing process that provides significant scope for more efficient designs of components, benefiting performance and weight, leading to efficiency improvements for various sectors of industry. However, to benefit from these design freedoms, knowledge of the high produced induced residual stress and mechanical property anisotropy associated with the unique microstructures is critical. X-ray and neutron diffraction are considered the benchmark for non-destructive characterization of surface and bulk internal residual stress. The latter, characterized by the high penetration power in most engineering alloys, allows for the use of a diffraction angle close to 90° enabling a near cubic sampling volume to be specified. However, the complex microstructures of columnar growth with inherent crystallographic texture typically produced during PBF-LB/M of metallics present significant challenges to the assumptions typically required for time efficient determination of residual stress. These challenges include the selection of an appropriate set of diffraction elastic constants and a representative lattice plane suitable for residual stress analysis. In this contribution, the selection of a suitable lattice plane family for residual stress analysis is explored. Furthermore, the determination of an appropriate set of diffraction and single-crystal elastic constants depending on the underlying microstructure is addressed.
In-situ loading experiments have been performed at the Swiss Spallation Neutron Source with the main scope to study the deformation behaviour of laser powder bed fused Inconel 718. Cylindrical tensile bars have been subjected to an increasing mechanical load. At pre-defined steps, neutron diffraction data has been collected. After reaching the yield limit, unloads have been performed to study the accumulation of intergranular strain among various lattice plane families.
Hydrogen pressure vessels are among the most essential components for reliable hydrogen technology. Under current regulations, a mostly conservative strategy is employed, restricting the usage time of hydrogen pressure vessels without providing information on the real remaining lifetime. During the service life, pressure vessels are inspected periodically. However, no established method that can provide continuous monitoring or information on the remaining safe service life of the vessel. In this paper, we propose a sensor network for Structural Health Monitoring (SHM) of hydrogen pressure vessels where data from all sensors are collected and centrally evaluated. Specifically, we integrate three different SHM sensing technologies namely Guided Wave ultrasonics (GW), Acoustic Emission testing (AT), and distributed Fiber Optic Sensing (FOS). This integrated approach offers significantly more information and could therefore enable a transition from costly and time-consuming periodic inspections to more efficient and modern predictive maintenance strategies, including Artificial Intelligence (AI)-based evaluation. This does not only have a positive effect on the operational costs but enhances safety through early identification of critical conditions in the overall system in real-time. We demonstrate an experimental set-up of a lifetime test where a Type IV Composite Overwrapped Pressure Vessel (COPV) is investigated under cyclic loading instrumented with AT, FOS, and GW methods. We acquired data from the sensor network until the pressure vessel failed due to material degradation. The data collected using the three different SHM sensor technologies is planned to be evaluated individually, using data fusion, and AI. In the future, we aim to integrate the measurement setup into a hydrogen refueling station with the data stream implemented into a digital signal processing chain and a digital twin.
Structural health monitoring of hydrogen pressure vessels using distributed fiber optic sensing
(2024)
We report on distributed fiber optic sensing-based monitoring of hydrogen composite overwrapped pressure vessels (COPV) to simultaneously increase the operational lifespan and mitigate maintenance costs. Our approach represents, to the best of our knowledge, the first application of distributed fiber optic sensing for COPV Type IV monitoring, where the sensing fibers are attached to the surface, rather than integrated into the composite material. Specifically, we attach an optical fiber of 50 m to the pressure vessel's surface, covering both the cylindrical and dome sections. We note that our fiber optic sensing technique relies on swept wavelength interferometry providing strain information along the entire length of the optical fiber with high spatial resolution even at the millimeter scale. When the vessel is pressurized, the sensing optical fiber shows a linear strain response to pressure at every position along the fiber. After thousands of load cycles, the vessel finally fails with the optical fiber detecting and precisely localizing the damage in the vessel’s blind dome area. Furthermore, we discuss the potential of state-of-the-art signal processing methods and machine learning for advancing predictive maintenance. This could reduce the number of regular inspections, mitigate premature maintenance costs, and simultaneously increase the vessel’s remaining safe service life. We believe that the structural health monitoring of hydrogen pressure vessels with fiber optic sensors can enhance trust in hydrogen technology contributing to the energy transition in the future.
Development of representative test specimens by thermal history transfer in laser powder bed fusion
(2024)
The use of components manufactured by laser powder bed fusion (PBF LB/M) and subjected to fatigue loading is still hampered by the uncertainty about the homogeneity of the process results. Numerous influencing factors including the component’s geometry contribute to the risk of process instability and resulting inhomogeneity of properties. This drastically limits the comparability of different built parts and requires expensive full component testing. The thermal history as the spatiotemporal temperature distribution has been identified as a major cause for flaw formation. Therefore, it can be hypothesized that a similar thermal history between components and test specimens enhances their comparability. Following this assumption, a strategy is developed to transfer the intrinsic preheating temperature as a measure of comparability of thermal histories from a region of interest of a complex component to a simple test specimen. This transfer concept has been successfully proved by the use of FEM-based macroscale thermal simulations, validated by calibrated infrared thermography. An adoption of the specimen manufacturing process by the adjustment of the inter layer times was established to manufacture specimens which are representatives of a specific region of a large-scale component in terms of the thermal history similarity criterion. The concept is schematically illustrated in Figure 1 and was demonstrated using a pressure vessel geometry from the chemical industry.
Direct energy deposition additive manufacturing technologies that utilize an electric arc have great potential for generating large volume metal components. However, selecting process parameters that yield the desired near net shape design and requested mechanical component behavior is not a trivial task due to the complex relationship between all process parameters and material characteristics. This presentation exemplifies the application of a newly developed solid welding wire doped with TiB to enhance grain refinement in the deposited metal for additive manufacturing based on DED-Arc of high-strength precipitation hardening AlMgSi-aluminum alloys. It is worth noting that the solid wire is the result of our preliminary metallurgical studies on grain refinement in aluminum weld metal.
Consequently, research focuses on the correlation between process parameters and component quality to understand the underlying mechanisms. This is crucial for evaluating a robust process parameter space that yields component quality in line with corresponding standards which are mainly taken from welding technology.
Specifically, we examine component quality by analyzing pore size and distribution, as well as grain morphology. To enhance the mechanical properties of the deposited metal, a post-weld heat treatment was conducted, comprising of solution treatment, quenching, and artificial aging. The study also evaluates the effects of various heat treatment strategies on the final mechanical properties of the material.
To demonstrate the applicability of 3D metal printing of high-strength aluminium alloys, a more complex demonstrator was created. It has been shown that DED-Arc can produce high-volume aluminium parts with the same quality as the corresponding subtractive processing strategy.
Additionally, the entire additive manufacturing chain has been digitally integrated, enabling traceability of all relevant process steps, which is essential for reliable subsequent quality assessment.
Das Ausbreitungsverhalten geführter Ultraschallwellen ermöglicht die großflächige Prüfung von Platten und schalenförmigen Bauteilen wie Rohren und Laminaten auf Fehlstellen von wenigen Prüfpunkten aus. Während die beschränkte Divergenz der geführten Wellen die Ultraschallprüfung begünstigt, erschwert das dispersive und multimodale Verhalten der Lamb-Wellen die Auswertung der Ultraschallsignale. Die dispersive und multimodale Wellenausbreitung verkompliziert die Bestimmung der Fehlerposition bei der Auswertung der Geschwindigkeiten einzelner Wellenpakete. Zudem ist es herausfordernd, einen einfachen Zusammenhang zwischen den Reflexionen der Fehlstelle und deren Größe und Form herzustellen. Eine Möglichkeit zur genauen Bestimmung der Fehlerposition und -geometrie bietet der direkte Vergleich der Messsignale mit den Signalen aus einem Simulationsmodell. Die Nachbildung des Schadens im Simulationsmodell stellt ein inverses Problem dar, das iterativ gelöst werden kann, indem ein Vorwärtsmodell immer weiter optimiert wird. Klassische Ansätze wie die Finite Elemente Methode (FEM) sind für die Simulation von Ultraschallwellen aufgrund der kleinen Wellenlängen im Vergleich zur Bauteilgröße meist ineffizient. Aus diesem Grund basiert das vorgestellte Vorwärtsmodell auf der semi-analytischen Scaled Boundary Finite Element Method (SBFEM), die große Teile der Wellenausbreitung analytisch berechnet. In diesem Beitrag wird die Validierung des zweidimensionalen Modells an Platten mit einer rechteckigen Nut als Ersatzfehler präsentiert und es werden erste Schritte zur Validierung von 3D-Modellen vorgestellt.
In infrared thermography, the interaction of the heat flow with the internal geometry or inhomogeneities in a sample and their effect on the transient temperature distribution is used, e.g., to detect defects non-destructively. An equivalent way of describing this is the propagation of thermal waves inside the sample. Although thermography is suitable for a wide range of inhomogeneities and materials, the fundamental limitation is the diffuse nature of thermal waves and the need to measure their effect radiometrically at the sample surface only. The crucial difference between diffuse thermal waves and propagating waves, as they occur, e.g., in ultrasound, is the rapid degradation of spatial resolution with increasing defect depth. This degradation usually limits the applicability of thermography for finding small defects on and below the surface.
A promising approach to improve the spatial resolution and thus the detection sensitivity and reconstruction quality of the thermographic technique lies in the shaping of these diffuse thermal wave fields using structured laser thermography.
Some examples are:
• Narrow crack-like defects below the surface can be detected with high sensitivity by superimposing several interfering thermal wave fields,
• Defects very close to each other can be separated by multiple measurements with varying heating structures,
• Defects at different depths can be distinguished by an optimized temporal shaping of the thermal excitation function,
• Narrow cracks on the surface can be found by robotic scanning with focused laser spots.
We present the latest results of this technology obtained with high-power laser systems and modern numerical methods.
Die zunehmende Bedeutung der luftgekoppelten Ultraschallprüfung (ACUT) in der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) unterstreicht die Notwendigkeit von standardisierten Abläufen und Methoden. Bei der ACUT bestehen grundlegende Unterschiede zur manuell durchgeführten Ultraschallprüfung mit Kontakttechnik oder zur automatisierten Tauchtechnik. Die Unterschiede bei der Bestimmung von Prüfkopfparametern für ACUT wurde von Herstellern, Forschungseinrichtungen und Anwendern bereits als wichtig erkannt, was sie veranlasst hat, im Rahmen des Unterausschusses Luftgekoppelte Ultraschallprüfung der DGZfP die Richtlinie US08 zur standardisierten Charakterisierung von luftgekoppelten Ultraschallwandlern zu erarbeiten. Darüber hinaus bestehen auch bei der Durchführung einer Messung grundlegende Unterschiede, die aktuell in einem Leitfaden zusammengetragen und definiert werden.
In diesem Beitrag wird ein Überblick über die geplanten Inhalte dieses Leitfadens gegeben. Insbesondere wird die Auswahl von Prüfparametern in Form von Frequenzen, Abständen und Positionierung sowie die Auswertung behandelt. Darüber hinaus werden die Ergebnisse eines Ringversuchs vorgestellt, welcher an einem eigens hierfür entwickelten und mit Defekten versehenem Prüfkörper, der sog. ACUT-Prüfplatte, durchgeführt wurde. In diesem Ringversuch werden unterschiedliche Messanordnungen, die mittels luftgekoppeltem Ultraschall möglich sind, anhand des erreichbaren Signal-Rausch-Verhältnisses sowie der messbaren Defektgröße quantifiziert. Zudem findet eine Abgrenzung zu weiteren gängigen Verfahren der ZfP statt. Anhand der hier vorgestellten Ergebnisse ist es möglich, die Anwendbarkeit des luftgekoppelten Ultraschalls unter Berücksichtigung unterschiedlicher Messanordnungen besser einzuschätzen.
Die größten Vorteile der luftgekoppelten Ultraschallprüfung sind: die berührungslose Prüfung und der Verzicht auf ein flüssiges Koppelmittel. Allerdings weisen die meisten luftgekoppelten Prüfszenarien ein sehr geringes Signal-zu-Rausch-Verhältnis (SNR) auf und die Pegel, die von luftgekoppelten Ultraschallwandlern realisiert werden, sind um mehrere Größenordnungen kleiner.
Da diese Herausforderung auch in anderen Disziplinen wie bspw. der Radartechnik existiert und dort ebenfalls eine entscheidende Rolle spielt, wurde die dort eingesetzte Pulskompression auf die physikalischen Gegebenheiten der luftgekoppelten Ultraschallprüfung angepasst und angewandt.
Dieser Beitrag präsentiert die Ergebnisse von zwei Versuchsaufbauten: 1) ein thermoakustischer Sender und ein optisches Mikrofon und 2) ein Paar Ferroelektret-Wandler als Sender und Empfänger. Aufgrund der physikalischen Randbedingungen wurden unipolare Kodierungen verwendet. Die Verwendung von unipolaren Kodes zur Modulation der Anregungssignale stellt dabei eine neue Methode dar, die so die Pulskompression für Ferroelektret- und thermoakustische Wandler ermöglichen soll. Die Anwendung der Pulskompression auf die Kombination aus thermoakustischem Sender und optischem Mikrofon konnte das Signal-zu-Rausch-Verhältnis um bis zu 15 dB und für die Ferroelektret-Wandler um bis zu 23 dB erhöhen.
In this paper, we investigate the influence of different heat source pulse shapes by Infrared impulse thermography (IRT) on the results of the thermal shock response spectrum (TSRS) methodology. TSRS is a new alternative approach for evaluating impulse thermography (IRT) data based on an analogy to Shock Response Spectrum (SRS) analysis (ISO 18431) for mechanical systems. It allows processing the entire recorded signal without truncating the saturated thermogram, as in pulse-phase thermography (PPT) or thermal signal reconstruction (TSR). For this purpose, we use a widespread halogen lamp as heat source as well as laser spot. The laser source enables not only to generate a precise shape of the pulse, but also to heat a specific area of the sample uniformly. This makes it possible to suppress influences of lateral fluxes due to uneven distribution of the excitation source on the surface of the specimen and leads to improved results. In order to quantitatively compare the results and to investigate the possible influence of the source shape on the TSRS, the Tanimoto criterion and the signal-to-noise ratio (SNR) were applied to the region of interest (ROI) of the carbon fiber reinforced polymer (CFRP) laminate with artificial defects as defect detectability criterion.
Die additive Fertigung von Metallen hat inzwischen einen Reifegrad erreicht, der einen Einsatz in vielen Industriezweigen ermöglicht oder in greifbare Nähe rückt. Die Vorteile liegen vor allem in der Möglichkeit der Fertigung komplexer Bauteile, die sich konventionell nicht oder nur sehr aufwändig produzieren lassen, sowie in der Fertigung von hochindividualisierten Bauteilen in kleinen Stückzahlen. Allerdings ist der additive Fertigungsprozess hoch komplex und fehleranfällig. Um eine insbesondere für sicherheitsrelevante Bauteile notwendige Qualitätskontrolle zu gewährleisten, ist aktuell aufwändige nachgelagerte ZfP der einzelnen Bauteile notwendig. Alternativen könnten die In-situ-Prozessüberwachung und -prüfung bieten, die aktuell aber noch keinen ausreichenden Entwicklungsstand erreicht haben. Industrielle Fertigungsanlagen bieten keine oder nur geringe Flexibilität und Zugänglichkeit, um umfangreiche Untersuchungen auf diesem Gebiet zu ermöglichen. Daher haben wir an der BAM ein System für den Prozess des selektiven Laserschmelzens (PBF-LB/M) entwickelt, genannt SAMMIE. Es bietet eine komplett offene Systemarchitektur mit voller Kontrolle über den Prozess und flexiblem Zugang zur Baukammer, z.B. optisch sowohl direkt als auch koaxial zum Fertigungslaser. In diesem Beitrag stellen wir das System vor und zeigen erste experimentelle Ergebnisse der In-situ-Überwachung und -prüfung: Thermografische Schmelzbadüberwachung, optische Tomografie und In-situ-Laserthermografie. SAMMIE ermöglicht uns grundlegende Untersuchungen, die helfen werden, die In-situ-Prozessüberwachung und -prüfung weiterzuentwickeln, neue Erkenntnisse über die additive Fertigung zu gewinnen und die Sicherheit und Zuverlässigkeit des Prozesses zu verbessern.
Distributed fiber optic sensing (DFOS) technique is a promising and robust non-destructive testing tool that can seamlessly acquire environmental conditions over large scales. Therefore, it has found extensive applications in structural health monitoring. Its appeal for monitoring underground facilities lies in the intrinsic properties of the optical fiber, such as immunity to magnetic interference, small size, chemical inertia, etc. This paper provides a concise overview of DFOS applications in underground facility monitoring. Following a brief introduction to the working principle of the DFOS technique, various examples are provided to demonstrate how distributed fiber sensors contribute to monitoring underground facilities. The paper presents unpublished field test results with an emphasis in the energy sector, including monitoring gas storage facilities, geothermal reservoir exploration, and ground movement detection. Furthermore, the paper identifies several directions for enhancing the DFOS system.
Im Rahmen des Forschungsprojekts "Artificial Intelligence for Rail Inspection" (AIFRI) wird ein KI-Algorithmus entwickelt, um die Fehlererkennung und Bewertung bei der Auswertung von Schienenprüfungen mittels Ultraschall- und Wirbelstromprüfverfahren zu verbessern. Die Bandbreite möglicher Defekte und die Menge an Einflussgrößen auf die Schienenprüfung ist sehr groß, aber die Prüfdaten aus dem Feld bilden diese Bandbreite nicht balanciert ab und sind unzureichend gelabelt. Durch Simulationen werden große Mengen detailliert gelabelter Daten für relevante Schienenschädigungen und Artefakte bereitgestellt. Aus diesen Daten werden wiederum virtuellen Prüffahrten erstellt, die für das Training und die Validierung der KI genutzt werden können.
In unserem Vortrag stellen wir den Erstellungsprozess der Datensätze vor. Jeder Schritt von der Geometriedarstellung bis zur Datenverarbeitung wird erfasst. Der Fokus wird auf Simulationsergebnisse und deren Verarbeitung gelegt. Die Signalverarbeitung spielt in den Datensätzen eine große Rolle, dabei werden die Datensätze an die realen Daten angepasst. Für Wirbelstrom und Ultraschall werden diese Prozesse im Hinblick auf die Fehlertypen Head Checks und Bohrungsanrisse veranschaulicht. Ferner diskutieren wir die Simulation von Schweißnähten, die von beiden Prüfsystem detektiert werden können; und somit besondere Abstimmung bedürfen aber auch Synergieeffekte zwischen den Prüfsystem ermöglichen.
Für die Ablage der Datensätze verweisen wir auf das ebenfalls eingereichte Poster „Verwendung von DICONDE bei der Eisenbahn-Schienenprüfung“.
Das Projekt AIFRI wird im Rahmen der Innovationsinitiative mFUND unter dem Förderkennzeichen 19FS2014 durch das Bundesministerium für Digitales und Verkehr gefördert.
This paper explores combining a gimbal-mounted tunable diode laser absorption spectroscopy (TDLAS) sensor and a video camera to create a virtual gas camera for methane leak detection. This provides a low-to-zero-cost extension of typical TDLAS gas tomography systems. A prototype setup mounted on a ground robot is evaluated. Results acquired using a simulated methane leak show the feasibility of the virtual gas camera, accurately detecting methane leaks by overlaying concentrations onto a visual image. While the acquisition time is significantly longer than for traditional gas cameras, potential enhancements are discussed. The study concludes that the virtual gas camera is feasible and useful, despite its longer acquisition time. It serves as a valuable software-only addition to typical TDLAS gas tomography systems, offering quickly-available on-site data augmentation for visual leak assessment at low-to-zero cost.
Gas Distribution Mapping (GDM) is essential in monitoring hazardous environments, where uneven sampling and spatial sparsity of data present significant challenges. Traditional methods for GDM often fall short in accuracy and expressiveness. Modern learning-based approaches employing Convolutional
Neural Networks (CNNs) require regular-sized input data, limiting their adaptability to irregular and sparse datasets typically encountered in GDM. This study addresses these shortcomings by showcasing Graph Neural Networks (GNNs) for learningbased GDM on irregular and spatially sparse sensor data. Our Radius-Based, Bi-Directionally connected GNN (RABI-GNN) was trained on a synthetic gas distribution dataset on which it outperforms our previous CNN-based model while overcoming its constraints. We demonstrate the flexibility of RABI-GNN by applying it to real-world data obtained in an industrial steel factory, highlighting promising opportunities for more accurate GDM models.
Die laserbasierte aktive thermografische Prüfung als berührungslose Methode der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung (NDT) basiert auf der aktiven Erwärmung des Testobjekts (OuT) und Messung des resultierenden Temperaturanstiegs mit einer Infrarotkamera. Dadurch bedingt können systematische Abweichungen vom vorhergesagten Erwärmungsverhalten Aufschluss über dessen innere Struktur geben. Jedoch ist das Auflösungsvermögen für innenliegende Defekte durch die diffusive Natur der Wärmeleitung in Festkörpern begrenzt. Thermografische Super-Resolution (SR)-Methoden zielen darauf ab, diese Limitation durch die Kombination mehrerer Messungen mit jeweils unterschiedlicher strukturierter Erwärmung und mathematischer Optimierungsmethoden zu überwinden.
Zur Rekonstruktion innerer Defekte mithilfe thermografischer SR-Rekonstruktionsmethodik wird für die Gesamtheit mehrerer Messungen ein schlecht gestelltes und stark regularisiertes inverses mathematisches Problem gelöst, was in einer dünnbesetzten Karte der internen Defektstruktur des OuTs resultiert.
Der vorliegende Vortrag gibt einen Überblick über die geleisteten Arbeiten in diesem Gebiet im Rahmen der hier mit dem Wissenschaftspreis der DGZfP 2024 prämierten Arbeit.
This study explores the acceleration of material design in the concrete industry, focusing on improving carbonation resistance, a key factor in the durability of concrete structures. Traditional tests for carbonation resistance are lengthy, but with the construction industry aiming for sustainable production, finding a balance between carbonation resistance and CO2 footprint is crucial. Our research employs two innovative methods: 1. Applying the Sequential Learning App for Materials Discovery (SLAMD), an AI materials design framework, to an extensive dataset of real-world concrete compositions to selectively test materials that meet market demands: maximum durability, optimal eco-durability, and the best cost-durability trade-off. 2. Investigating 1H Nuclear Magnetic Resonance (NMR) relaxometry as a quick alternative for characterizing carbonation behavior, as it saves time compared to traditional tests and assesses the complete material's pore space. Specific NMR features are then integrated into the material design model, with the model's performance compared against traditional approaches. The results of our study are compelling, demonstrating that materials can be precisely tailored to meet specific requirements with minimal data points. This marks a significant stride in the concrete industry, indicating that NMR-based, low-fidelity surrogate characterizations, combined with a focused, data-driven design approach, can substantially accelerate the development of durable, sustainable concrete mixtures.
Aktive thermografische Prüfung ist ein vielseitiges Instrument in der Familie der zerstörungsfreien Prüfverfahren. Der Einzug moderner Lasertechnologie hat hier bedeutende neue Anwendungsfelder eröffnet. In Kombination mit Industrierobotik können nun beispielsweise beliebig komplex geformte Bauteile großflächig vollautomatisiert auf Oberflächenrisse überprüft werden. Der hier vorliegende Vortrag gibt einen Überblick über die Grundlagen der Laserthermografie, zeigt unsere Anstrengungen am Fachbereich im Bereich der automatisierten thermografischen Detektion von Oberflächenrissen und gibt ein Ausblick über neue moderne Thermografieverfahren aus der Forschung.
The properties of laser radiation result in a wide range of applications, making laser technologies indispensable in areas such as industry, science and medicine. The possible areas of application for thermography in this context are just as diverse. Thermography is used in laser applications when permanent monitoring and control of thermal development is necessary. Among others, this is the case in additive manufacturing, laser-based measuring devices and non-destructive testing. Furthermore, thermography is ideally suited as a testing method when it comes to ensuring the quality of the laser itself. In this talk it is outlined, how lasers can be used as a heat source in active thermographic testing. Furthermore, two special variants (spatial & temporal structured heating) are described, for which lasers are highly suitable.
In this presentation, the results of the determination of the diffraction and single-crystal elastic constants of laser powder bed fused Inconel 718 are presented. The analysis is based on high-energy synchrotron diffraction experiments performed at the Deutsches Elektronen-Synchrotron. It is shown that the characteristic microstructure of laser powder bed fused Inconel 718 impacts the elastic anisotropy and therefore the diffraction and single-crystal elastic constants. Finally, the consequences on the diffraction-based residual stress determination of laser powder bed fused Inconel 718 are discussed.
Ziel des FuE-Vorhabens ist die Entwicklung, Aufbau und Validierung eines gasto-mographischen Messsystems basierend auf stationärer und mobiler Sensorik zum Emissionsmonitoring in kommunalen Kläranlagen. Die Gastomographie basiert hierbei im Wesentlichen auf, aus unterschiedlichen Sichtwinkeln aufgenommenen, integralen Konzentrationsmessungen, anhand derer eine Rekonstruktion der Gasverteilung erfolgt. Das FuE-Projekt kombiniert hierfür stationäre Sensornetzwerke mit luftgestützten und bodengebundenen Robotersystemen in einem System. Letztere werden mit Reflektoren und/oder Gasdetektoren ausgestattet. Hierfür werden Open-Path-Gasmesstechnik basierend auf Tunable Diode Laser Ab-sorption Spectroscopy (TDLAS, primär CH4 in ppm·m) und In-situ-Gassensorik (CH4, ppm) auf Basis von z.B. Infrarot eingesetzt. Dies sind zwei komplementäre Methoden der Gasmessung: Die In-situ-Gassensorik ermöglicht Punktmessungen, wohingegen TDLAS-Sensoren Gaskonzentrationen integral über offene Messstre-cken von bis zu 60 m gegen Oberflächen messen. Die In-situ-Gassensorik wird für Referenzmessungen und ggf. zur Erhöhung der Rekonstruktionsqualität zum Ein-satz kommen. Die wesentlichen Neuheiten des Projekts sind:
• 2D-Gastomographie auf Basis eines mit TDLAS-basierter Open-Path-Gasmesstechnik und Reflektoren ausgestatteten heterogenen Messsystems.
• CT-basierte Rekonstruktionsalgorithmen, adaptiert an die komplexen Rahmenbedingungen.
• Validierung des Messsystems anhand realer Messungen auf Kläranlagen.
Protection against terroristic or accidental scenarios in industrial settings requires suitable designs of structures to resist blast loads. Field testing as well as finite element simulations are among the techniques available to engineers in the understanding of the structural behavior against blast loading.
As blast testing of complex scenarios can be very resource intensive, tests are generally performed for simplified scenarios. Numerical tools can be used to model these scenarios to get better insight into blast loading, structural response, and the resulting damage to the structure. During the next steps, the simplified scenario is successively modified in numerical simulations to incorporate complexities that cannot be covered in blast testing experiments. One of the conditions for this approach to work is that the original simplified numerical simulation is valid. The scopes and challenges encountered in such a validation are the focus of this presentation/article.
A relatively ‘simple’ field test of a horizontal reinforced concrete (RC) slab subjected to blast loading is taken as an example for validation of the performance of numerical tools. The blast test incorporated various measurement techniques to quantify the blast load as well as the behavior of the RC slab. Blast load was measured using flush mounted piezoelectric pressure gauges, whereas acceleration sensors and fiber-optic sensor cables were used to characterize the dynamic behavior of the slab under blast loading. Additionally, damage characteristics were ascertained also using fiber optic sensing. The application of such measurement techniques, along with different numerical software available for the analysis of the scenario in question, demonstrate the scope of our contribution.
When it comes to the challenges, it begins with proper instrumentation of the test specimen followed by the data processing. For numerical modelling, geometric conditions with appropriate boundary constraints, physical conditions such as the configuration of the rebars, as well as material parameters add to this challenge. The issues of choosing appropriate material models and comparison of results with multiple software tools will be discussed. This discussion forms the basis for a coherent approach to technical-safety assessment of blast effects on structures in its broader sense.
In the field of guided waves for non-destructive testing, the interaction of these waves with damages or other discontinuities in a structure is critical. When a guided wave mode travels and hits a defect, it scatters in all directions, converting to other modes and reflecting the existing one. These interactions are captured in scattered far field complex amplitudes. The amplitudes are stored in scattering matrices, which characterise the elastodynamic behaviour of a defect completely. Scattering matrices are also useful to simulate backpropagation from a defect using ray-tracing methods.
Simulating these interactions is challenging, and analytical solutions only exist for simple geometries. Still, using general tools like the finite element method results in large, usually costly models. Recently, researchers proposed a method based on a numerical implementation of the Kirchhoff–Helmholtz integral that allows the computation of the scattering matrices using a model containing only the damaged region. However, classical methods to resolve the far field and low-order elements were used, leading to large models yet more efficient than using other techniques.
We propose using the SBFEM as an alternative to enhance the computation of the far field scattering. The damaged region is discretised using high-order polyhedral elements, while the far field is constructed using a modified version of the SBFEM. Examples compared to the literature demonstrate the validity of the approach.
Ultrasonic guided waves interacting with complex geometrical features are of high interest in the SHM field. For example, investigations into the extent to which a small change in defect geometry affects wave propagation have applications in Probability of Detection and defect reconstruction. These fields have to be supported by numerical tools aiming to retrieve accurate and reliable results and, thus, more realistic modeling.
Due to the short wavelengths of ultrasonic waves and the relatively large domains in which the waves propagate, fine grid resolution for the entire domain is usually not possible due to limited computational resources. One solution is to partition the domain into different subdomains and use a specific, efficient approach for each subdomain.
This contribution shows a combination of methods that aims to study these wave defect interactions in an elastic media. Firstly we introduce high-order 3D meshes that can resolve very fine geometrical details and are based on an Octree discretisation technique that employs special transition shape functions to resolve the hanging nodes that may appear due to the nature of the method. Afterward, the Octree mesh is embedded in a prismatic wave-guide based on the semi-analytical formulation of the SBFEM in 3D. To couple the different domains, we employ the mortar method, which enforces the continuity of the wave field across the internal boundaries of the domains. Examples show the power of the approach especially when it comes to parametric analysis.
For structural health monitoring systems or non-destructive testing, it is crucial to study the interactions of ultrasonic-guided waves with inhomogeneities or damage in structural components. Simulation of these interactions poses a challenge.
After the wave-damage interaction, the numerical model must reproduce features like mode conversion or wave scattering. Mathematically, damages are discontinuities in a computational domain, and each interacts diversely depending on its geometrical features. We propose a quadtree-based meshing in the current contribution to capture these geometrical
characteristics.
This kind of discretisation approach requires special techniques to couple cells of different sizes since, after a quadtree decomposition, the problem of so-called hanging nodes may arise. Transition elements based on high-order transfinite shape functions are used to solve this issue. The advantage is that these elements allow the correct coupling of the cells while retaining a high-order interpolation. Moreover, the reuse of the dynamic stiffness matrices can be exploited based on the similarity of the cells. This procedure renders the approach very efficient.
Examples show the scattering characteristics of different guided wave modes after interacting with inhomogeneities and discontinuities in a plate.
Ultrasonic echo testing is a well-established non-destructive testing technique used to investigate the interior of concrete structures in civil engineering. For the reconstruction of internal features, methods similar to seismic imaging are applied. To improve the ultrasonic imaging capabilities, we investigate the potential of a newly available 3D matrix mode measurement device in combination with advanced imaging techniques.
Commonly used ultrasonic array measurement devices rely on several ultrasonic transducers coupled to act as one transducer that transmits or receives transversal ultrasound waves. Although this approach is well suited to detect elongated structures such as pipes and rebars, it has limitations if 3D embedded objects are present. Hence, the ultrasonic device MiraA1040Pro used here is designed to measure the ultrasonic wavefield on a 4 by 16 matrix of individual transducers. For testing, we used laboratory specimens with linear and spheric embedded structures first. Both linear and matrix mode measurements were conducted and analysed using the Synthetic Aperture Focusing Technique
(SAFT) which is similar to Kirchhoff migration. Second, we used a data set from Teutschenthal mine at a shotcrete specimen constructed to simulate engineered barriers tailored for nuclear waste repositories. Ultrasonic measurements were investigated as a tool for quality assurance of these structures. The specimen contains both artificial 3D artifacts as well as naturally occurring defects such as a delamination. To make use of the advanced data acquisition, focusing 3D imaging techniques are applied to further improve the imaging quality.
Generally, the reconstructed images from the 3D matrix mode data have a lower level of Signal-to-Noise-Ratio than the 2D linear mode because the source signal is weaker compared to the linear mode. Moreover, complex wave conversions of the SH-transversal wave occur that are reduced in the 2D linear scenario. However, clearer images can be achieved at non-linear features, particularly with focusing imaging methods. Thus, combining 3D data acquisition techniques with advanced imaging methods improves the success in imaging complex concrete structures. This is of particular interest for thick concrete structures in nuclear barrier systems or foundations. Additionally, we demonstrate opportunities to use well-constrained test laboratory scenarios from non-destructive testing as a practical test case for geophysical methods.
Im Rahmen des Forschungsprojekts "Artificial Intelligence for Rail Inspection" (AIFRI) wird ein KI-Algorithmus entwickelt, um die Fehlererkennung und Bewertung bei der Auswertung von Schienenprüfungen mittels Ultraschall- und Wirbelstromprüfverfahren zu verbessern. Je nach Prüfverfahren werden relevante Schienenschädigungen (z. B. Head Checks) und Artefakte (z. B. Bohrungen) entsprechend analysiert und in einem parametrisierbaren digitalen Zwilling abgebildet, um anschließend die KI-Algorithmen trainieren zu können. Mit der Simulation können Prüffahrten virtuell durchgeführt und Schadensbilder für das KI-Training erzeugt werden, die das Verhalten komplexer Systeme reproduzieren, ohne dass das reale System benötigt wird. Die Modellannahmen sind dabei von erheblicher Bedeutung, denn unzureichende Modellannahmen führen leicht zu falschen Simulationsergebnissen. Um die Ergebnisse einer Simulation ordnungsgemäß darstellen zu können, ist das Simulationsmodell selbst zu überprüfen.
Die Vollständigkeit, Richtigkeit und Genauigkeit der Simulationsergebnisse werden anhand von realen Prüfungen verifiziert. Für die Verifikation der Ultraschallsimulation werden hier Stegbohrungen als Referenzreflektoren herangezogen. Als Testkörper stehen Schienensegmente mit unterschiedlichen Profiltypen sowie speziell angefertigte Testkörper mit schienenähnlicher Geometrie zur Verfügung. In den Testkörpern befinden sich künstliche und reale Schädigungen in Kopf-, Steg- und Fußbereich, sowie Bohrungen mit Nuten. Die Validierung der Wirbelstromsimulation erfolgt an Testkörpern, die aus Schienenköpfen gefertigt sind. Dabei werden die Signale für unterschiedliche Nuttiefen und Nutenpaare mit unterschiedlichen Abständen untersucht.
Für die Modellierung der Simulationsergebnisse verweisen wir auf das ebenfalls eingereichte Poster „Simulation von Ultraschall- und Wirbelstromprüfdaten für die Schienenprüfung“.
Das Projekt AIFRI wird im Rahmen der Innovationsinitiative mFUND unter dem Förderkennzeichen 19FS2014 durch das Bundesministerium für Digitales und Verkehr gefördert.
The overview of the activity of Federal Institute for Material Research and Testing (BAM, Belin, Germany) in the field material characterization by X-ray imaging is presented. The principle of X-ray Computed Tomography (XCT) is explained. The multiple examples of application of quantitative analysis by XCT are reported, such as additive manufacturing, Li-ion battery, concrete research.
Microalloying elements such as Nb and Ti play a decisive function in achieving the desired mechanical strength of quenched and tempered, high-strength fine-grain structural steels with a nominal yield strength ≥ 690 MPa. The current specifications for the chemical composition only provide manufacturers with upper limits. However, even minor deviations in the alloy concept can have a significant impact on the mechanical properties. Consequently, accurate prediction of weldability and the integrity of welded joints becomes difficult or even impossible due to differences in composition and the resulting microstructures. Undesirable consequences include a possible softening of the heat-affected zone (HAZ) or, conversely, hardening effects. In view of these challenges, various microalloying strategies with different Ti and Nb contents are being systematically investigated for the first time using specially developed laboratory casting alloys. Each alloying route is based on the common S690QL, maintaining both the chemical composition and the heat treatment parameters. To analyse the weldability, three-layer welds were performed using gas metal arc welding (GMAW) and critical microstructures, such as areas of the heat-affected zone (HAZ) that exhibit significant softening or hardening, were identified. The effect of the softened HAZ region on failure was evaluated using transverse tensile specimens. Digital image correlation (DIC) is used to image changes in local strains in different HAZ regions in situ. Using a specially developed mirror system, the local strains of the microstructure zones on the top and bottom of the weld are recorded simultaneously. This makes it possible to analyse how the weld seam geometry (e.g., V-seam) influences the strain gradients. In addition, the analysis of the local deformation helps to understand the effects of the softened HAZ on the global strain, the fracture constriction, the fracture position, and the overall fracture behavior.
Bei der zerstörungsfreien Prüfung verlegter Eisenbahnschienen werden die Rohdaten derzeit in proprietären Datenformaten gespeichert und auf Datenträgern zwischen den Prüfzügen und den auswertenden Stellen versendet. Die proprietären Datenformate sind in der Regel nur den Herstellern der Prüfsysteme bekannt und deren Dokumentation nicht allgemein zugänglich.
Das Forschungsprojekt „Artificial Intelligence for Rail Inspection“ (AIFRI) erfordert den Austausch von Prüfdaten in einem offenen Format sowohl zwischen den Projektpartnern als auch die Veröffentlichung anonymisierter Daten ausgewählter Strecken aus dem Offenen Digitalen Testfeld (ODT). Wir haben uns in dem Projekt für die Verwendung der „Standard Practice for Digital Imaging and Communication in Nondestructive Evaluation“ (DICONDE) entschieden. DICONDE basiert auf dem medizinischen Standard „Digital Imaging and Communication in Medicine“ (DICOM) und wurde von ASTM an die ZfP angepasst. DICOM bzw. DICONDE ist nicht nur ein Datenformat, sondern beinhaltet auch Kommunikationsschnittstellen für die Auftragsvergabe, Datenübertragung und Abfrage gespeicherter Datensätze aus einem Archiv.
In dem Vortrag werden DICOM und DICONDE vorgestellt, sowie die Verwendung von DICONDE für die Schienenprüfung im Projekt AIFRI näher erläutert. Es wird gezeigt, wie sich Prüfdaten, Prüfparameter, Streckeninformationen incl. Kilometertafeln und Geokoordinaten und Befunde in DICONDE kodieren lassen.
Machbarkeitsstudie zur Zustandserfassung von Spannbetonschwellen mit dem Ultraschallverfahren
(2024)
Das niederfrequente Ultraschallverfahren zur zerstörungsfreien Zustandserfassung von Stahlbetonkomponenten findet im Bauwesen umfangreiche Anwendung. Multistatische Arrays sind am Markt verfügbar und ausgelegt für die Prüfung großflächiger Betonstrukturen. In einer Machbarkeitsstudie wird überprüft, ob eine Zustandserfassung an schlanken Spannbetonschwellen möglich ist. B70-Schwellen und B90-Weichenschwellen wurden hierfür im Labor, im Schienennetz und während der Wiederaufbereitung mit dem Ultraschallverfahren untersucht. Fokus ist die Detektion von Sickenrisse, Kopfrissen und Treibrissen im Bereich des Schwellenkopfes.
Die rekonstruierten Ultraschalldaten zeigen für intakt-klassifizierte Schwellen ein reproduzierbares Rückwandecho und weitere Reflexionen an den Schwellenaußenkanten. Die Ausprägung der Amplitude variiert je nach Degradation durch Belastung und Verwitterung. Defekt-klassifizierte Schwellen mit z. B. Kopfrissen oder unterseitigen Abplatzungen unterscheiden sich im Signalbild deutlich durch oberflächennahe Reflexionen bzw. verschobene Rückwandechos. Basierend auf den untersuchten Schwellen zeigt die Machbarkeitsstudie, dass eine zerstörungsfreie Zustandserfassung mit Hilfe des Ultraschallverfahrens grundsätzlich möglich ist.
Entwicklung einer flexiblen Datenablage zur sicheren Speicherung von Bauwerksdaten - "CASPAR"
(2024)
Bestandsunterlagen von älteren Bauwerken sind bezüglich einer rechnerischen Zustandsbewertung häufig nur in einem unzureichenden Umfang verfügbar. Dies gilt sowohl für den privaten als auch für den öffentlichen Bereich. Der Wert von Bestandsunterlagen für Gebäude oder Brücken ist Vielen nicht bekannt. Soll jedoch der aktuelle Zustand von Bauwerken bewertet, sollen Restlebensdauern abgeschätzt oder soll umgebaut werden, stellen Bestandsunterlagen die Grundlage dafür dar. Liegen diese nicht vor, so muss die Bauweise des Bauwerkes kostenintensiv nachvollzogen und mit nachträglichen Untersuchungsverfahren bewertet werden. Vor allem ist dies darauf zurückzuführen, dass die Aufbewahrung der Bestandsunterlagen dem Bauherrn obliegt und diese meist in Papierform vorliegen und dann bei Umzügen, Betriebsschließungen, Eigentümerwechsel etc. verloren gehen.
Die Digitalisierung im Bauwesen bietet hier Möglichkeiten diese Probleme künftig zu vermeiden. Bereits heute nimmt die digitale Planung im Bauwesen eine immer größere Rolle ein. Mehr und mehr Bauvorhaben werden schon jetzt in sogenannten BIM Modellen (Building Information Modelling) geplant. Um die Akzeptanz einer digitalen Lösung zu gewährleisten muss die Vertrauenswürdigkeit von Daten auch langfristig garantiert sein. Naturgemäß unterliegen Erkenntnisse, die aus Daten gewonnen werden, häufig vielen Prozessschritten mit unterschiedlichen Beteiligten. Es lässt sich vor dem Hintergrund der üblichen Lebensdauern von Bauwerken leicht erkennen, dass es schwierig ist diese Prozesskette, von der Datenerhebung bis zur teilweise jahrzehnte späteren Nutzung, beweissicher und rückführbar zu gestalten. Diese Attribute sind es aber, die die Vertrauensbasis für die Qualität und somit auch die Akzeptanz von digitalisierten Daten bilden. Im Projekt „CASPAR“ erarbeiten wir eine mögliche technologische Grundlage, um Bauwerksdaten langfristig und manipulationssicher zu speichern.
Relevant, abgesichert, vergleichbar – ZfP-Ergebnisse bei der Zuverlässigkeitsbewertung von Bauwerken
(2024)
Die Nachrechnung, d. h. die Zuverlässigkeitsbewertung von bestehenden Brücken, ist aufgrund der alternden Infrastruktur und sich verändernden Anforderungen an die Bauwerke eine fortwährend große Herausforderung in Wissenschaft, Praxis und Standardisierung. Ein wesentlicher Vorteil bei der Nachrechnung besteht gegenüber dem Neubauentwurf in der Möglichkeit, Informationen über den tatsächlichen Zustand der Bauwerke zu erheben – im Idealfall ohne wesentliche destruktive Eingriffe in die Bausubstanz. Deren Verwendung bei der Zuverlässigkeitsanalyse dient der Zuschärfung von Berechnungsmodellen und ermöglicht realitätsnähere Bauwerksbeurteilungen. Die Einbeziehung von Messdaten bei der Zuverlässigkeitsbewertung setzt jedoch voraus, dass die Qualität der gemessenen Informationen bekannt und deren Vergleichbarkeit sichergestellt ist. Darüber hinaus sollte die Relevanz der messbaren Informationen beziffert werden, um wirtschaftliche Inspektionen am Bauwerk gezielt durchführen zu können.
In diesem Beitrag wird am Beispiel von Ultraschall- und Radarmessungen an einer Spannbetonbrücke gezeigt, wie ZfP-Ergebnisse bei der Zuverlässigkeitsbewertung von Bestandsbauwerken mit probabilistischen Methoden genutzt werden können. Betrachtet werden innere geometrische Abmessungen wie die Lage der Bewehrung oder von Spanngliedern. Die Relevanz der messbaren Informationen wird anhand von Sensitivitätsanalysen beziffert. Messunsicherheitsbetrachtungen dienen der Bezifferung der Qualität der gemessenen Informationen und der Gewährleistung deren Vergleichbarkeit. Abschließend werden die möglichen Auswirkungen der Berücksichtigung von ZfP-Ergebnissen auf die Bauwerkszuverlässigkeit in einem Nachweis einer Spannbetonbrücke gemäß Eurocode demonstriert.
Nondestructive testing of gas turbine blades is essential for their maintenance and service process which is critical to ensure both safety and efficiency of these highly stressed parts. In this presentation, a novel ultrasonic testing method is explored in order to acquire part thickness information in the turbine blade’s airfoil. In established industry processes, the measurements are mainly carried out manually and only at a few specific positions of the inspected parts. The proposed method scans the part using a robot arm guiding an ultrasonic array sensor. For ultrasonic coupling to the complex-shaped surface geometry, the inspected part and sensor are immersed into water. A two-step TFM[1, 2] (Total Focusing Method) approach is used to reconstruct the outer and inner surfaces subsequently from the ultrasonic raw data, which are acquired using the FMC[3] (Full Matrix Capture) measurement principle. For each sensor position, the location and geometry of the outer surface is first identified and then used to create an image of an area inside the material. From that image, the inner surface is reconstructed. Finally, part thickness information is deducted from merging location data of inner and outer surface. The result is a high resolution, high precision mapping of the inspected part’s wall thickness.
Die Wirbelstromprüfung ist ein bewährtes Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung elektrisch leitfähiger Objekte im oberflächennahen Bereich. Nach einer Einführung in die Wirkungsweise, Möglichkeiten und Grenzen des Wirbelstromprüfverfahrens wird am Beispiel des Schreins der Heiligen Drei Könige gezeigt, wie sich mit dem Wirbelstromprüfverfahren unterschiedliche Metalllegierungen unter einer Vergoldung zerstörungsfrei identifizieren lassen.
Der Schrein der Heiligen Drei Könige wurde um das Jahr 1200 von Nikolaus von Verdun erschaffen, ca. 1750 von Johann Rohr und 1807 von Wilhelm Pollack restauriert. Die Restaurierungsarbeiten wurden jedoch nur unvollständig dokumentiert. Es ist bekannt, dass zu den unterschiedlichen Zeiten unterschiedliche Metalllegierungen als Grundmaterial unter der Vergoldung verwendet wurden. Mit Hilfe von Vergleichsproben aus einer Sammlung der Kölner Dombauverwaltung ließen sich die Akanthus-Prägungen des Schreins den verschiedenen Restaurierungen zuordnen.
Die Erzeugung rissschließfreier Anrisse in gekerbten bruchmechanischen Proben für anschließende Ermüdungsversuche kann durch eine zyklische Druckbelastung an der Kerbe erfolgen: Bei der Erstbelastung wird eine plastische Verformung an der Kerbspitze erzeugt, welche Zugeigenspannungen und damit eine risstreibende Kraft bei der folgenden zyklischen Druckbelastung hervorruft. Durch das Risswachstum kommt es zu einer Entspannung, bis der Riss schließlich arretiert, weil die effektive risstreibende Kraft auf den Schwellenwert abgesunken ist. Um Kurzrisswachstum in additiv, mittels pulverbettbasiertem Laserstrahlschmelzen (Laser Powder Bed Fusion - LPBF) gefertigtem AISI 316L Stahl und seinem konventionell erzeugten, warmgewalzten Pendant zu untersuchen, wurde dieses Verfahren im Rahmen der vorliegenden Arbeit genutzt. Im Falle des additiv gefertigten Materials kam es zu unerwartet langem Ermüdungsrisswachstum, bevor der Riss arretierte. Zur Ermittlung der Ursache erfolgte eine Messung der Eigenspannungsverteilungen mittels Neutronendiffraktion in der Kerbebene der additiv gefertigten Proben. Anschließend wurde ein Finite-Elemente-Modell zur Simulation des Ermüdungsrisswachstums in konventionellem und additiv gefertigtem Material implementiert. Im Rahmen dieses Vortrages wird insbesondere auf das Vorgehen bei der Simulation und auf die getroffenen Annahmen und Vereinfachungen eingegangen. Die Resultate werden mit den experimentellen Ergebnissen verglichen und das für die Simulation von Risswachstum genutzte Knoten-Freigabe-Verfahren (Node-Release), das Einbringen von Eigenspannungen als initiale Spannungen in der Simulation, und die Rechengrößen zur Quantifizierung der risstreibenden Kraft kritisch diskutiert.
Der Vortrag behandelt den Stand der Technik bei der zerstörungsfreien Prüfung von Betonkonstruktionen und insbesondere den Stand und die Herausforderungen bei der Digitalisierung. Es werden Prüfaufgaben sowie etablierte Prüfmethoden und die passende Auswahl diskutiert. Ein weitere Schwerpunkt liegt bei der Genauigkeit und Verlässlichkeit und dem Konzept ZfPStatik. Abschließend werden Schnittstellen zu BIM, SIB-Bauwerke und anderen System kurz angerissen und ein Katalog offener Fragen aufgestellt.
Mikrolegierungselemente wie Nb und Ti sind entscheidend für die erwünschte mechanische Festigkeit von vergüteten Feinkornbaustählen mit einer Nennstreckgrenze von ≥ 690 MPa. Aktuelle Spezifikationen geben lediglich Obergrenzen für die chemische Zusammensetzung vor, allerdings können geringfügige Abweichungen erhebliche Auswirkungen auf die mechanischen Eigenschaften haben. Die Vorhersage der Schweißbarkeit und Integrität von Schweißverbindungen stellt aufgrund der variierenden Zusammensetzung und Mikrostrukturen Herausforderungen dar. Unerwünschte Effekte wie Erweichung der Wärmeeinflusszone (WEZ) oder Verfestigung können auftreten. Um dies zu untersuchen, wurden verschiedene Mikrolegierungsrouten mit variierenden Ti- und Nb-Gehalten an Laborschmelzen erforscht. Die Basis jeder Route entsprach der üblichen S690QL in Zusammensetzung und Wärmebehandlung. Dreilagenschweißungen wurden mittels Metallaktivgasschweißens (MAG) durchgeführt, um kritische Gefügebereiche zu identifizieren. Die Analyse konzentrierte sich auf Phasenumwandlungen während der Abkühlung und metallurgisches Ausscheidungsverhalten. Die mechanischen Eigenschaften der Schweißnähte wurden durch Zugversuche ermittelt. Die Ergebnisse zeigen einen bedeutenden Einfluss der Mikrolegierungsroute und Schweißwärmezufuhr auf die Ausscheidungskinetik, trotz insgesamt guter Schweißbarkeit der Werkstoffe.
Until the 1980s radiography was used to inspect civil structures in case of special demands and showed a much better resolution than other NDT techniques. However, due to safety concerns and cost issues, this method is almost never used anymore. Meanwhile, non-destructive techniques such as ultrasound or
radar have found regular, successful practical application but sometimes suffer from limited resolution and accuracy, imaging artefacts or restrictions in detecting certain features when applied to reinforced or prestressed concrete inspection.
Muon tomography has received much attention recently. Muons are particles generated naturally by cosmic rays in the upper atmosphere and pose no risk to humans. Novel detectors and tomographic imaging algorithms have opened new fields of application, mainly in the nuclear sector, but also in spectacular cases such as the Egyptian pyramids.
As a first step towards practical application in civil engineering and as a proof of concept we used an existing system to image the interior of a reference reinforced 600 kg concrete block. Even with a yet not optimized setup for this kind of investigation, the muon imaging results have been at least of similar quality compared to ultrasonic and radar imaging, potentially even better. Recently, the research was expanded to more realistic testing problems such as the detection of voids in certain structural elements. However, before practical implementation, more robust, mobile, and affordable detectors would be required as well as user-Friendly imaging and simulation software.
The built infrastructure ages and requires regular inspection and, when in doubt, monitoring. To ensure that older concrete bridges showing signs of deterioration can be used safely, several innovative monitoring tools have been introduced, including but not limited to optical, fiber-optic, or acoustic emission techniques. However, there are gaps in the portfolio. A sensing technique that covers a wide range of damage scenarios and larger volumes, while still being sensitive and specific, would be beneficial.
For about 15 years, research has been conducted on ultrasonic monitoring of concrete structures that goes beyond the traditional ultrasonic pulse velocity test (PV test), mostly using a very sensitive data evaluation technique called coda wave interferometry. At BAM we have developed sensors and instrumentation specifically for this method.
We have instrumented a 70-year-old, severely damaged prestressed concrete bridge in Germany in addition to a commercial monitoring system. We have now collected data for almost 3 years. We can show that we can provide information about the stress distribution in the bridge. We have also been able to confirm that there has been no significant additional damage to the bridge since the installation.
X-rays without X-rays: Can muon tomography provide pictures from within concrete and other objects?
(2024)
Until the 1980s radiography was used to inspect civil structures in case of special demands and showed a much better resolution than other NDT techniques. However, due to safety concerns and cost issues, this method is almost never used anymore. Meanwhile, non-destructive techniques such as ultrasound or
radar have found regular, successful practical application but sometimes suffer from limited resolution and accuracy, imaging artefacts or restrictions in detecting certain features when applied to reinforced or prestressed concrete inspection.
Muon tomography has received much attention recently. Muons are particles generated naturally by cosmic rays in the upper atmosphere and pose no risk to humans. Novel detectors and tomographic imaging algorithms have opened new fields of application, mainly in the nuclear sector, but also in spectacular cases such as the Egyptian pyramids.
As a first step towards practical application in civil engineering and as a proof of concept we used an existing system to image the interior of a reference reinforced 600 kg concrete block. Even with a yet not optimized setup for this kind of investigation, the muon imaging results have been at least of similar quality compared to ultrasonic and radar imaging, potentially even better. Recently, the research was expanded to more realistic testing problems such as the detection of voids in certain structural elements. However, before practical implementation, more robust, mobile, and affordable detectors would be required as well as user-Friendly imaging and simulation software.
The talk also discusses other applications , such as volcanology, mining and geothermal exploration.
Die Thermografie ist trotz ihrer ausgereiften wissenschaftlichen und technologischen Grundlagen ein noch relativ junges Mitglied in der Familie der zerstörungsfreien Prüfverfahren. Sie erschließt sich aufgrund einer Reihe von Vorzügen eine wachsende Anwendungsgemeinde. Für eine weitere Verbreitung insbesondere im industriellen Kontext spielen Normen, Standards und technische Regeln eine wichtige Rolle. In diesem Beitrag wird der aktuelle Stand der Normung in Deutschland vorgestellt. Wir zeigen, welche Normen und technischen Regeln es für die Thermografie in Deutschland und international gibt und wir wagen einen Blick in die Zukunft. Darüber hinaus lebt auch die Normierungsarbeit von der Beteiligung durch interessierte Kreise. Dies können industrielle und akademische Anwender*innen, Hersteller*innen von Geräten, Forschungseinrichtungen oder Dienstleistungsunternehmen sein. Sie können gern Ihre Bedarfe bezüglich Normierungsprojekten mitbringen und/oder direkt an die Autoren senden.