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The applicability of pulse phase thermography (PPT) for the investigation of structures is studied systematically on concrete test specimens and on a plastered sandstone column. In the test specimens, voids and delaminations are implemented in different depths and with different sizes, modelling real voids, honeycombing and debonding. Delaminations of plaster in concrete and masonry and behind tiles on concrete are investigated. PPT is based on the frequency analysis of the cooling down process of actively heated surfaces. Therefore, it is contactless and thus completely non-destructive (if overheating of the surface is prevented), fast and allows the inspection of large surface areas. The interpretation of amplitude and phase images gives semi-quantitative information about the observed defects. The phase images provide a deeper probing up to 1015 cm in relation to the interpretation of the thermograms and to the amplitude images. In addition, the influence of surface inhomogeneities and non-uniform heating is reduced.
An advanced quantitative approach of pulse-phase-thermography for nondestructive
testing in civil engineering is described in this contribution. The
characteristic frequency of the maximum phase-contrast between defects and sound
areas is used as a means for the characterization of its depth.
The new approach is tested in the laboratory on concrete structures with defects of
polystyrene. The surfaces of the structures were heated with IR-radiators for varying
time periods.
The presented investigations were funded by the Deutsche Forschungsgemeinschaft
(DFG) and were carried out in co-operation with the Technical University of Berlin
(TUB).
The active approach for non-destructive-testing in Civil Engineering (NDT-CE) with infraredthermography (IR), developed at the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM), is described in part one of this contribution. The active IR-approach is based on the principles of impulse- (IT) and pulse-phase-thermography (PPT). The concept is a direct result of a research project at the BAM in cooperation with the Technical University of Berlin (TUB) and was funded by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG). In the second part results of the new thermography-scanning system (thermo-scanner) of BAM on debonding of multi-layered structures, especially carbon fibre reinforced plates (CFRP) on concrete are presented. Both, the thermo-scanner developed at BAM, and the investigations carried out, are part of the
EU-Project Sustainable Bridges. In the third part of the paper the characteristic frequency of the optimum phase-contrast as a means for the characterization of defects depth in CE by means of PPT is introduced. A new quantitative approach is tested and discussed on concrete structures with defects of polystyrene and gas concrete.
Abstract
In the recent years the application of infrared thermography and especially its active approaches lock-in thermography, impulse themography and pulse phase thermography (PPT) has gained more importance for non-destructive testing (NDT). In this paper it is demonstrated that PPT is very well suited for NDT in civil engineering. The method is based on pulse heating of the investigated specimen and on the observation of the cooling down process on its surface with an infrared camera. The transient behaviour is afterwards analysed with Fast Fourier Transformation, enabling the creation of phase and amplitude images with enhanced visualisation of the defects. Results of European and National (i.e. DFG) funded projects are presented, for example the detection of voids and inhomogeneities close to the surface and the localisation of delaminations on plastered concrete and masonry specimen.
ZUSAMMENFASSUNG
Im Rahmen eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Vorhabens zur zerstörungsfreien Prüfung im Bauwesen wird in der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Berlin (TUB) die Puls-Phasen-Thermografie (PPT) weiterentwickelt, bewertet und eingesetzt. Die durch die Impuls-Thermografie (IT) aufgenommenen Daten werden mittels Fast Fourier Transformation (FFT) bearbeitet. Die durch die FFT gewonnenen Phasenbilder reduzieren die Störeinflüsse von Oberflächeninhomogenitäten und ungleichmäßiger Erwärmung.
Die dargestellten Ergebnisse zeigen deutlich, dass sich die PPT sehr gut zur zerstörungsfreien Prüfung im Bauwesen eignet. Insbesondere Inhomogenitäten im oberflächennahen Bereich, wie Ablösungen und Hohlstellen hinter Beschichtungen (Putz, CFK-Laminate etc.), aber auch Defekte in größeren Tiefen können zuverlässig geortet und bildgebend dargestellt werden.
In this paper a new approach for quantitative non-destructive testing (NDT) of near-surface structures in civil engineering (CE) with active thermography is presented. It adopts the method known as pulsed phase thermography (PPT) for the special requirements of NDT-CE and was developed in a German research project of the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM) in cooperation with the Technical University of Berlin. The new quantitative concept that might be understood as a square pulse thermography in frequency domain or an amplitude-expanded PPT with square pulse heating is based on the thermal diffusivity of the material and the characteristic frequency of the negative maximum phase and amplitude contrast. It aims at complementing the established approaches for defects depth calculation for measurements with long heating and observation times quite usual at active thermography in CE but is easily extendable to other fields of application. After an introduction to the basics of active thermography in CE and the thermography concept of BAM, qualitative results of several case studies will be presented. The main focus of the last section of this contribution is on applications of the new quantitative approach at test specimens of BAM to determine the concrete cover of artificially manufactured defects.
Thermography (IR) allows global visualization of temperature distribution on surfaces with high accuracy. This potential can be used for visualization of fluid mechanics effects at the intersection of laminar and turbulent flows, where temperature jumps appear due to convection and friction i.e. for the optimization in the design of airplane geometries. In civil engineering too it is the aspiration of the modern engineer of light weight structures to meet singular loads like wind peaks rather by intelligent structures and materials than by massive structures. Therefore the "Institute of Conceptual and Structural Design" of the Technical University of Berlin (TUB) is working on the development of adaptive structures, optimized geometry and intelligent microstructures on surfaces of structural elements. The paper shows the potential of modern computational fluid dynamics (CFD) in combination with thermography (IR) to optimize structures by visualization of laminar-tumultuous border layer currents. Therefore CFD simulations and IR wind tunnel experiments will be presented and discussed. For simulations and experiments - artificial and structural elements of the cable-stayed Strelasund Bridge, Germany, are used.
Struktur- und Feuchteuntersuchungen von Bauteil- und Bauwerksoberflächen mit der Impuls-Thermografie
(2005)
Adaption der Puls-Phasen-Thermografie für die quantitative zerstörungsfreie Prüfung im Bauwesen
(2007)
In der folgenden als Promotionsschrift verfassten Arbeit wird ein methodischer Ansatz zur
qualitativen und quantitativen zerstörungsfreien Prüfung von oberflächennahen Strukturen im
Bauwesen mittels aktiver Thermografie entwickelt und erprobt.
Er adaptiert das aus der Werkstoffprüfung bekannte Verfahren der Puls-Phasen-Thermografie
(PPT) für die besonderen Anforderungen im Bauwesen.
Das mit Rechteckimpuls-Thermografie im Frequenzbereich bezeichnete Konzept gründet auf
dem vom Fachgebiet Baustoffe und Baustoffprüfung der Technischen Universität Berlin (TUB)
und der Fachgruppe VIII.2 Zerstörungsfreie Schadensdiagnose und Umweltmessverfahren der
Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) durchgeführten Forschungsvorhaben:
Struktur- und Feuchteuntersuchungen von Bauteil- und Bauwerksoberflächen mit der Impuls-
Thermografie, Teil 1 und Teil 2, gefördert durch die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG).
Es werden zunächst die Grundlagen der elektromagnetischen Strahlung, der Wärmeübertragung,
der Signalverarbeitung sowie der aktiven Thermografie dargestellt. Es folgt ein Kapitel über das
Thermografie-Konzept von TUB und BAM.
Nach einer Zusammenfassung von bereits unter Mitwirkung des Verfassers veröffentlichten
qualitativen Ergebnissen der Auswertung im Zeit- und Frequenzbereich wird ein neuer Ansatz
für die Defekttiefenbestimmung im Frequenzraum mittels der charakteristischen Frequenz des
maximalen negativen Phasen- und Amplitudenkontrastes zwischen Fehlstelle und ungestörtem
Bereich entwickelt und anhand von systematischen Untersuchungen an Probekörpern der BAM
überprüft. Die vom Verfasser in der Arbeit mit Rechteckimpuls-Spektral-Thermografie (RST)
bezeichnete Methode, die auch als eine Rechteckimpuls-Thermografie (RIT) im Frequenzbereich
oder eine durch Amplitudenauswertung ergänzte PPT für Rechteckimpulse verstanden werden
kann, soll die aus der Literatur bekannten Ansätze ergänzen und bietet eine Alternative für die
Tiefenbestimmung von Defekten bei Messungen mit langen Erwärmungs- und Beobachtungszeiten,
wie sie im Bauwesen häufig vorkommen.
Die Arbeit wird vervollständigt durch analytische Untersuchungen über den angeregten Wärme-
fluss sowie ergänzende Simulationsrechnungen und die Beschreibung werkstoffübergreifender
Praxisanwendungen zur Qualitätssicherung und zur Schadensdiagnose sowie zur Strukturuntersuchung
von Kulturgütern im Bauwesen. Sie schließt ab mit möglichen Perspektiven der aktiven
Thermografie im Bauwesen sowie mit einer Zusammenfassung.
Influence of concret properties on the calibration of radar, ultrasonics and active thermography
(2008)
Nach einer Einführung in die Puls-Phasen-Thermografie (PPT) wird ein neuer Ansatz für die Defekttiefenbestimmung im Frequenzraum mittels der sogenannten charakteristischen Frequenz des minimalen Phasen- und Amplitudenkontrastes zwischen Fehlstelle und ungestörtem Bereich entwickelt und anhand von systematischen Untersuchungen an Probekörpern der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung und ergänzenden Simulationsrechnungen überprüft.
Die mit Rechteckimpuls-Spektral-Thermografie (RST) bezeichnete Methode, die auch als eine Rechteckimpuls-Thermografie (RIT) im Frequenzbereich oder eine durch Amplitudenauswertung ergänzte PPT für Rechteckimpulserwärmung verstanden werden kann, soll die existierenden Ansätze ergänzen und bietet eine Alternative für die Tiefenbestimmung von Defekten bei Messungen mit langen Erwärmungs- und Beobachtungszeiten, wie sie bei Anwendung von aktiver Thermografie im Bauwesen häufig vorkommen.
Zerstörungsfreie Ortung von Fehlstellen und Inhomogenitäten in Bauteilen mit der Impuls-Thermografie
(2004)
Impulse-thermography is an active method for quantitative investigations of the near surface region of various structures. It has recently been applied and optimised to applications in civil engineering. By using either an internal or external heat source, parts of the structure under investigation are heated up and the transient heat flux is observed by recording the temperature change at the surface as a function of time. This method is very well suited for the detection of voids and honeycombing in concrete, up to concrete covers of 10 cm as well as for the location of delaminations in multi-layered systems (e.g. plaster on concrete, CFRP-laminates on concrete, asphalt on concrete). Also safety relevant defects like voids in tendon ducts and cracks in concrete could be recognised.
Ziel der hier vorgestellten Untersuchungen war es, die Einflüsse von variierenden thermischen Eigenschaften des Baustoffs sowie von unterschiedlichen Emissivitäten der Oberfläche auf die Ortung von Inhomogenitäten in Bauwerksstrukturen mit der aktiven Thermografie zu quantifizieren bzw. durch geeignete Auswerteverfahren zu reduzieren. Vorgestellt werden Ergebnisse von Untersuchungen an Betonprobekörpern mit unterschiedlichen Betonrezepturen und Oberflächenbeschichtungen und -modifikationen sowie an einem historischen Mauerwerksprobekörper mit aufsteigender Feuchte. Die Auswertung der Thermografiesequenzen erfolgte sowohl im Zeit- als auch im Frequenzbereich.
Pulse thermography of concrete structures is used in civil engineering for detecting voids, honeycombing and delamination. Quantitatively realistic numerical 3D simulation is difficult due to the arising boundary layer at the heated surface and unreliable information about material parameters and environmental conditions. We address both issues by a semi-analytic reformulation of the heat transport problem and by parameter identification. Numerical results are compared with measurements of a test specimen.
Impulse thermography is an active method for quantitative investigations of the near
surface region of various structures. It has recently been applied and optimized to applications in civil
engineering. For quantitative analysis of data recorded on the building site, the problems are manifold.
Here, the influence of the different surface properties on the detection and characterization of voids
and honeycombing simulated by polystyrene cubes and cubes prepared of porous concrete are
demonstrated.
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).