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Die immer komplexere Konstruktionsweise von Neubauten einerseits und die alternde Infrastruktur andererseits erfordern in manchen Fällen eine dauerhafte Überwachung, um besondere Einwirkungen und gegebenenfalls Schädigungen rechtzeitig und genau zu erkennen. Hierfür ist eine Vielzahl von Methoden und Sensoren verfügbar. Das Portfolio weist aber insbesondere bei der Detektion langsamer, räumlich begrenzter Veränderungen Lücken auf. Hierfür sind bisher sehr aufwändige Untersuchungen oder Installationen notwendig.
In der vorliegenden Arbeit werden Sensoren und zugehörige Auswertemethoden für die Ultraschalltransmission vorgestellt, die sich für die zerstörungsfreie, dauerhafte Überwachung von Beton eignen. Direkt oder nachträglich in Betonkonstruktionen eingebaut, ermöglichen sie eine nicht nur lokale, sondern größere Raumbereiche umfassende Dauerüberwachung von Änderungen der Materialeigenschaften.
Das Prinzip der Ultraschalltransmission und die verschiedenen Einflussparameter werden vorgestellt. Zu letzteren gehören neben der Belastung und Schädigung auch Umweltparameter wie Temperatur und Feuchte. Verschiedene Methoden zur Datenanalyse, wie z. B. die Codawelleninterferometrie, ermöglichen eine Detektion kleinster Veränderungen. Die in den Beton einzubettenden Ultraschallsensoren werden vorgestellt und ihr Einbau und Betrieb beschrieben. Als Beispiele für Anwendungen werden Frost-Tauwechsel-Experimente im Labor, die Detektion von lokalen Lasten im Technikumsmaßstab und der Einsatz an realen Brücken diskutiert. Die Sensoren sind zum Teil bereits seit mehreren Jahren in Probeobjekte eingebettet und liefern zuverlässig wertvolle Daten.-------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Monitoring of concrete constructions by embedded ultrasonic sensors:
Challenging new constructions and the ageing infrastructure are increasing the demand for permanent monitoring of loads and damages. Various methods and sensors are used for this purpose. But the technologies available today have difficulties in detecting slowly progressing locally confined damages. Extensive investigations or instrumentations are required so far for this purpose.
In this study we present new sensors and data processing methods for ultrasonic transmission, which can be used for non-destructive permanent monitoring of concrete. They can be mounted during construction or thereafter. Larger volumes can be monitored by a limited number of sensors for changes of material properties.
The principles of ultrasonic transmission and influencing factors are presented. This latter include load, damages as well as environmental parameters as temperature or moisture. Various methods for data processing, e. g. coda wave interferometry are introduced. They allow the detection of very small changes in the medium. The embedded sensors are shown including mounting and operation. Application examples so far include small scale laboratory freeze-thaw experiments, localizing loads in larger concrete models and monitoring load effects on real structures. Some sensors are operating already for several years.
Ein Ultraschallsystem mit großer Apertur, genannt LAUS – Large Aperture UltraSound, wird vorgestellt und die technischen Eigenschaften erläutert. Es besteht aus zwölf Prüfköpfen, die beliebig auf Betonoberflächen mit Unterdruck befestigt und jeweils als Sender oder Empfänger genutzt werden. Alle möglichen Kombinationen ergeben 132 Einzelmessungen, die zur Rekonstruktion des durchschallten Volumens genutzt werden. Das System wurde an zwei Bauwerken erfolgreich erprobt. Die Dicke einer sehr stark bewehrten Fundamentplatte eines Fallturms wurde bestimmt. Die Messungen erfolgten in einem Raster auf einer Fläche von 2,0 × 1,8 m2 und die Rückseite konnte eindeutig abgebildet werden. Weitere Anzeigen aus dem Inneren der Platte zeigen das Potenzial des Systems. An einem Brückenbauwerk wurden indirekt Verdichtungsmängel lokalisiert. Dazu wurden mit dem LAUS-System die im Brückenträger verlaufenden Spannkanäle durch fast 2 m Beton abgebildet.
Die Pulskompression wird in der Radartechnik eingesetzt, um den Signal-Rausch-Abstand zu erhöhen. Das Ziel ist es die Entdeckungswahrscheinlichkeit eines Nutzsignals bei gleichbleibender Auflösung zu erhöhen. Durch den Einsatz von Barker Codes oder komplementären Golay Codes werden Sendesignale von Luftultraschallanwendungen pulscodiert. Dies ermöglicht in der zerstörungsfreien Prüfung die Inspektion von dickeren Bauteilen, da die Signalenergie durch zeitlich gestreckte Sendesignale bei gleicher Auflösung vergrößert wird.
In dieser Arbeit wird die Pulskompression durch die Einführung von unipolaren Sequenzen zur Pulscodierung für thermoakustische Ultraschallwandler ermöglicht. Der Signal-Rausch-Abstand wird in der Anwendung der Pulscodierung und anschließenden Filterung mit einem signalangepassten Filter in Luftultraschallmessungen mit dem thermoakustischen Wandler und Wandlern aus zellulärem Polypropylen erhöht.
Für die Sanierung von Bauwerken werden meist Informationen über die innere Struktur und den Aufbau, Belastungszustände, Feuchte- und Salzgehalte benötigt. Die Untersuchung mit zerstörungsarmen und -freien Methoden minimieren die dazu nötigen Eingriffe. Ebenfalls bieten die ZfP-Verfahren die Möglichkeit, den Erfolg einer Maßnahme zu kontrollieren sowie Prozesse über einen langen Zeitraum zu beobachten (Monitoring). Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der zerstörungsfreien Untersuchung von inneren Strukturen und des Aufbaus von Mauerwerk mittels Ultraschall und Radar. Der untersuchte Querschnitt wird tomografisch rekonstruiert. Diese Darstellungsart bietet den Vorteil der Tiefenbestimmung von Objekten und der besseren Visualisierung für Auftraggeber und/oder Laien. Es wurden die Laufzeiten der Longitudinalwellen rekonstruiert. Die Frequenzen der Ultraschalluntersuchungen lagen bei 25 kHz sowie 85 kHz und der Radaruntersuchungen bei 900 MHz sowie 1,5 GHz. Die Rekonstruktion erfolgte mit dem Tomografieprogramm “Geo- Tom“, welches auf der Grundlage des SIRT-Algorithmus arbeitet. Die untersuchten Querschnitte beinhalteten Anomalien bestehend aus Luft, Granit, Holz und Mörtel. Die Abmaße der Anomalien lagen zwischen 10-27 cm bezogen auf einen Querschnitt von 0,76 x 1,0 m. Eine Ortung der Anomalien war möglich, wenn diese eine Laufzeitveränderung von mindestens der Größe des Messfehlers bewirken. Die Größe dieser Laufzeitdifferenz ist abhängig von den Abmaßen der Anomalie und dem Kontrast der elektromagnetischen bzw. akustischen Eigenschaften zwischen Anomalie und umgebenden Material. Eine Aussage über die Größe der Anomalie ist möglich, jedoch kann auf die Form nur bedingt geschlussfolgert werden. Des Weiteren kann durch den Vergleich der beiden Verfahren ein Rückschluss auf die möglichen Materialien der Anomalie gezogen werden.
ln den letzten Jahren sind im deutschen Bundesautobahnnetz verstärkt Schäden an Betonfahrbahndecken aufgetreten, die mit einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) in Verbindung gebracht werden. Die damit einhergehende oft drastische Reduzierung der Nutzungsdauer der Betonfahrbahndecke führte zu einer starken Intensivierung der Forschung auf diesem Gebiet. Zentraler Forschungsgegenstand war bisher neben der Suche nach geeigneten präventiven betontechnologischen Maßnahmen vor allem die Entwicklung performanceorientierter Prüfverfahren zur AKR-Prävention. Dabei wurden insbesondere die klimatischen Einwirkungen auf die Betonfahrbahndecke und der externe Alkalieintrag zeitraffend simuliert. Die zusätzlich interagierenden mechanischen Einwirkungen aus dem Verkehr fanden bisher keine Berücksichtigung. Vor diesem Hintergrund verfolgt die 2011 eingerichtete und 2015 um weitere drei Jahre verlängerte DFG-Forschergruppe 1498 u. a. das Ziel, den Einfluss einer mechanisch induzierten Vorschädigung (Ermüdungsbeanspruchung) auf den AKR-Schädigungsprozess zu klären. Die hierfür erforderliche Beschreibung der vielfältigen interagierenden Schädigungs- und Transportprozesse erfordert eine enge Verknüpfung von Experimenten mit einer mehrskaligen Modellierung. Die experimentelle Basis bildet die mechanische Vorschädigung (Ermüdung) großformatiger Balken aus einem Fahrbahndeckenbeton mit einem erhöhten AKR-Schädigungspotenzial. Aus diesen Balken werden nach der Ermüdungsbeanspruchung kleinformatige Probekörper gewonnen, an denen die Auswirkungen der mechanischen Vorschädigung auf das Betongefüge und die interagierenden Transport- und Schädigungsprozesse analysiert werden. Das Teilprojekt der SAM hat in diesem Kontext die Aufgabe, ganzheitlich die Rissbildungsprozesse und den interagierenden Eintrag bzw. Auslaugung der Alkalien von der mechanisch induzierten Vorschädigung bis zum AKR-Schädigungsprozess in enger Abstimmung mit den Forschungspartnern zu untersuchen. Den Schwerpunkt dieses Beitrags bildet die Charakterisierung der Rissbildungsprozesse durch die mechanische Vorschädigung und ihrer Auswirkungen auf die interagierenden Transportprozesse. Das schließt die Vorstellung der hierfür angewandten innovative Prüftechniken und Prüfmethodologien ein.
Im deutschen Bundesautobahnnetz treten vor allem an den vor 2005 errichteten Betonfahrbahndecken vermehrt Schäden auf, die mit einer AKR in Verbindung gebracht werden. Sie äußern sich zunächst in einer Dunkelfärbung in den Fugenbereichen der Betonfahrbahndecke. Oft wird diese Erscheinung von einer von der Fuge ausgehenden horizontalen Rissbildung parallel zur Fahrbahnoberfläche begleitet. Durch den Einsatz der NMR-Technik konnte erstmals zerstörungsfrei der erhöhte Feuchtegehalt in der Betonrandzone als Ursache für diese Erscheinung nachgewiesen werden. Zusätzlich durchgeführte Radaruntersuchungen und Darr-Wäge-Versuche zeigten, dass die erhöhte Durchfeuchtung in der Betonrandzone in der Regel den gesamten Fahrbahnquerschnitt erfasst. Weiterhin wurde aufgezeigt, dass vor allem die akustischen Verfahren eine zerstörungsfreie Detektion der von der Fuge ausgehenden lateralen Ausdehnung der oberen Rissebene in die Fahrbahnplatte ermöglichen. Im Gegensatz zum Impakt-Echo-Verfahren erlaubt das Ultraschall-Echo-Verfahren zusätzlich die Ermittlung der Tiefenlage der oberen Rissebene. Es wird eine weitere Ertüchtigung der akustischen Verfahren für die Strukturaufklärung in Betonfahrbahndecken angeregt.