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Zusammenfassung
Durch die Entwicklung verschiedener Longitudinal- und Transversalwellenprüfköpfe, der variierenden Prüfkopfanordnung und -anzahl in Arrays sowie der verwendeten Erregerfrequenzen stehen derzeit mehrere Ultraschall-Verfahren für Untersuchungen an Betonbauteilen im Echobetrieb zur Verfügung. Darüber hinaus können verschiedene Verfahren für die Auswertung der Messergebnisse, u. a. SAFT-Rekonstruktionsberech-nungen (Synthetic Aperture Focusing Technique), genutzt werden.
Um die Leistungsfähigkeit der Verfahren spezifizieren und auch vergleichen zu können, sind geeignete Kenngrößen erforderlich.
Zu diesem Zweck wurden vorerst drei Kenngröße - das Signal/Rausch-Verhältnis s, die Laterale Auflösung D x und die Gleichmäßigkeit der Abbildung g - definiert und auf Untersuchungsergebnisse zu einem bekannten Prüfobjekt angewendet. Dabei handelt es sich um eine Bohrung in einem Betontestkörper aus Normalbeton B 35, die parallel zur Messfläche eingebracht wurde.
In diesem Beitrag werden die Definitionen und die am Beispiel der Bohrung ermittelten Kenngrößen vorgestellt. Es soll gezeigt werden, dass anhand der vorgestellten Definitionen die Kenngrößen für jedes Verfahren prinzipiell ermittelt werden können. Eine Beurteilung der Werte kann derzeit noch nicht erfolgen. Dazu müssen sich Untersuchungen an weiteren bekannten Objekten anschließen, u. a. auch an gezielt konzipierten Testkörpern, an denen die Einflüsse ausgewählter Objekteigenschaften auf die verfahrensabhängigen Kenngrößen untersucht werden sollen.
Die Risstiefenbestimmung in Festen Fahrbahnen ist hinsichtlich der Dauerhaftigkeit der Konstruktion von wesentlichem Interesse. Im Rahmen eines gemeinsamen Forschungsvorhabens mit der DB AG wurden aus der Literatur bekannte Ansätze bewertet und darauf aufbauend ein Verfahren zur bildgebenden Rissdarstellung entwickelt. Rissüberbrückende Bewehrung sowie Kontaktstellen zwischen den Rissflanken wirken als Schallbrücken und erschweren die Risscharakterisierung, wie bei einem Einsatz an einer Betriebserprobungsstrecke festgestellt wurde. Ein aus der Literatur bekanntes Verfahren der einfachen Laufzeitmessung erwies sich für die Tiefenbestimmung von realen verunreinigten Rissen als ungeeignet.
Since several years ultrasonic imaging techniques are used for testing concrete elements. Combined with a reconstruction calculation they lead to an acoustic imaging of scatterers and reflectors from the inside of the concrete element. For several testing problems it is an advantage to use a two dimensional synthetic aperture and to combine it with a three-dimensional reconstruction calculation (3D-SAFT, Synthetic Aperture Focussing Technique).
This enables the analysis of the tested volume by means of B-scans in two directions and C-scans (projections parallel to the surface), respectively. Using the 2D-scanning technique, especially the disturbing influence of the reinforcing rebars can be minimised.
In this contribution the state of the art of this method is demonstrated and analysed. Examples of the application are presented, concerning
Localisation of honeycombing and compaction faults
Characterisation of cracks (especially measuring the crack depth)
Investigation of tendon ducts
The results presented are obtained in the frame of a research initiative Non-destructive Evaluation of Concrete Structures Using Acoustic and Electromagnetic Echo-Methods supported by the German Science Council (FOR 384 of DFG, Deutsche Forschungsgemeinschaft). The methods are assessed and improved in cooperation with the partners participating in the project.
Improved Detection of Tendon Ducts and Defects in Concrete Structures Using Ultrasonic Imaging
(2002)
At the beginning of the 90s the general opinion was, that ultrasonic inspection methods using pulse-echo technique were not suitable for the inspection of concrete because of the inhomogeneity and the strong scattering behavior of the embedded aggregates. In the meantime the progress in the development of new equipment and inspection strategies in connection with ultrasonic imaging techniques turns the pulse-echo technique into a powerful tool to solve problems related to concrete materials. These imaging techniques - developed for the inspection of homogenous materials like steel of aluminum - could be adopted to the very low frequencies needed for concrete inspections.
Ultrasonic investigation is an established non-destructive testing method for detection of defects and material characterisation. In the last years scanning ultrasonic echo methods were developed especially for the application in civil engineering.
The different scanning ultrasonic echo methods are modified with respect to the type of the transducer applied, the number and the arrangement of transducers and the frequency used. Also different algorithms are used to analyse the measured data, for instance SAFT (Synthetic Aperture Focusing Technique) reconstruction. The results are typically presented as B- and C-scans, obtained from raw data or the SAFT reconstructed data.
Since 2001 several German research institutes co-operate within the scope of the research initiative Non-destructive Evaluation of Concrete Structures Using Acoustic and Electromagnetic Echo-Methods (FOR 384) supported by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG). One of the tasks is to investigate these ultrasonic echo methods for special applications like the detection of cavities in concrete structures or faults in tendon ducts.
Concrete test specimens with intentional faults have been manufactured and investigated. Parameters were defined to assess the results more objectively. Currently three parameters -signal/noise-ratio, lateral edge resolution and uniformity- are considered. For the first time results of different working groups on the same imaged objects are compared quantitatively. It should help to get more knowledge about the ultrasonic inspection of typical faults in civil engineering structures.
Ultrasonic reconstruction by the synthetic aperture focusing technique (SAFT) has a great potential to image concrete elements and detect embedded objects. Its algorithm focuses ultrasonic signals received at many aperture points by coherent superposition, yielding a high-resolution image of the region of interest. Using this approach, several problems caused by the strongly inhomogeneous structure of concrete are diminished, where scattering of transmitted pulses leads to disturbing phenomena such as attenuation and structural noise. This contribution is intended to review the work of the writers on the application of SAFT reconstruction to concrete testing. First, consequences of scattering of ultrasonic waves in concrete are qualitatively explained. Then the use of SAFT is discussed in comparison to traditional A-scan and B-scan techniques. Different reconstruction algorithms and implementations are presented for one-, two-, and three-dimensional SAFT. Pulse-echo measurement systems are described, which are able to acquire large sets of data on linear and planar apertures employing single transducer, transducer array, and scanning laser Doppler vibrometer arrangements. To illustrate the application of the SAFT techniques, examples from laboratory and field experiments are described comprising imaging of back walls, tendon ducts containing faults, layers, and reinforcement in concrete elements.
An jeweils einem Fenster der Dome zu Stendal, Havelberg und Halberstadt sowie im Zisterzienserkloster Marienstern in Panschwitz-Kuckau und der Nikolaikirche in Quedlinburg wurden Klimamessungen sowie Staub- und Materialuntersuchungen durch die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Fachgruppe 4.2 durchgeführt. Ziel der Arbeiten war es, den allgemeinen Erkenntnisstand über die Wirksamkeit von Schutzverglasungen zu verbessern, die spezifische Situation für die Glasmalereien in den fünf Objekten zu beurteilen (siehe Faltblatt 6 dieser Reihe: „Kontrollen der Wirksamkeit von Schutzverglasungen"), im Bedarfsfall Maßnahmen zur Verbesserung zu empfehlen und gegebenenfalls weitere Untersuchungen vorzuschlagen. Bisher gibt es keine Erkenntnisse zum Einfluss von Stäuben auf die Korrosionsprozesse von Glasoberflächen. Daher sollte das Projekt neben der unmittelbaren Kontrolle der fünf Objekte auch Antworten zu dieser grundlegenden Frage geben.
Als wichtigste Konservierungsmaßnahme für mittelalterliche Glasmalereien gilt seit vielen Jahrzehnten die Schutzverglasung. Von den anfänglich unterschiedlichen Konstruktionen hat sich das von innen belüftete System bald durchgesetzt. Umfangreiche Klimamessungen an Schutzverglasungen in insgesamt 11 Kirchen, bei deren Auswertung und Beurteilung vor allem bautechnische Details, räumliche Lagen und Heizvorrichtungen in Betracht gezogen wurden, ergaben große Unterschiede in der klimatischen Situation der Glasmalereien. Obwohl aus den Ergebnissen Schlüsse hinsichtlich positiver und negativer Einflüsse vieler Faktoren ableitbar sind, bleiben manche Fragen weiter offen. Dazu gehört in erster Linie eine bildlich (mikroskopisch/elektronenmikroskopisch) belegte Aussage, inwieweit die Schutzverglasung über längere Zeiträume den Zustand der Glasmalerei tatsächlich zu konservieren vermag. Sicher ist, dass die bauphysikalischen Bedingungen, die Lage des Fensters (Himmelsrichtung) und seine Dimension großen Einfluss auf das Klima im Spalt zwischen Schutzverglasung und Original haben. Sowohl diese Erkenntnisse als auch der Mangel an systematischen Untersuchungen nach der Neuinstallation von Schutzverglasungen waren Anlass für ein Evaluierungsprojekt, bei dem die vor etwa 15 Jahren installierten Schutzverglasungen an Fenstern des Halberstädter Doms, des Havelberger Doms, des Stendaler Doms und der Nikolaikirche Quedlinburg hinsichtlich ihrer konservierenden
Wirksamkeit überprüft wurden. Mit dem Hussitenfenster der Klosterkirche Marienstern in Panschwitz-Kuckau wurde ferner ein Objekt mit einer bereits vor 25 Jahren installierten Schutzverglasung hinzugenommen. An jeweils einem Fenster der fünf Objekte wurden Klimamessungen sowie Staub- und Materialuntersuchungen durch die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung durchgeführt. Ziel der Arbeiten war, den allgemeinen Erkenntnisstand über die Wirksamkeit von Schutzverglasungen zu verbessern, die spezifische Situation für die Glasmalereien in den fünf
Objekten zu beurteilen, im Bedarfsfall Maßnahmen zur Verbesserung zu empfehlen und gegebenenfalls weitere Untersuchungen vorzuschlagen. Bisher gibt es keine Erkenntnisse zum Einfluss von Stäuben auf die Korrosionsprozesse.
Das Projekt sollte neben der unmittelbaren Kontrolle der fünf Objekte auch Antworten zu diesen grundlegenden Fragen geben.
Die evangelische Friedenskirche in Schweidnitz (Polen) ist ein besonderes Zeugnis des deutsch-polnischen und damit europäischen Kulturerbes. Deshalb wurde sie auch 2001 einstimmig vom UNESCO-Komitee in die Liste des Kultur- und Naturerbes der Welt aufgenommen. Sie stellt ein einmaliges Denkmal des hoch entwickelten schlesischen Fachwerk- und Holzbaues aus dem 17. Jahrhundert dar. Im Rahmen einer interdisziplinären Zusammenarbeit zwischen Fachleuten aus Deutschland und Polen erfolgte die fachgerechte Restaurierung von 39 Fensterverglasungen und Rahmen mit dem Ziel, eine Abdichtung des Kirchenraumes gegen eine zeitweilig zu feuchte und mit Schadstoffen angereicherte Außenluft zu erreichen. Die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung in Berlin führte Untersuchungen zu den klimatischen Bedingungen im Kirchentraum durch, um für die Kunstschätze nachhaltig verträgliche Bedingungen zu sichern. In der Friedenkirche war, wie auch in vielen anderen Bauwerken, in den 70-er und 80-er Jahren des 20. Jh. das Holzschutzmittel Xylamon verwendet worden. Neben der Gefahr für die sensiblen Materialien der Kunstwerke ist durch Holzschutzmittel auch ein Einfluss auf die Gesundheit von im Kirchenraum befindlichen Personen nicht auszuschließen. Mit Hilfe unterschiedlicher Untersuchungsmethoden konnten Emissionen aus Holzschutzmitteln und ihre Verbreitung im Kircheninneren nachgewiesen werden.
Several restoration projects of stained-glass windows have been performed in Lower Silesia (Poland) since 2010. The aim of the projects was to protect stained-glass windows against environmental impact of industial pollutants and acid rain by installing a protective glazing. The usefulness of protective glazing has been proved by climate measurements and determination of environmental impact before and after installation.
Fabrication of modern microelectronic components requires miscellaneous solder materials for joining. In order to guarantee the quality of the manufacturing process and the reliability of the resulting solder joint it is necessary to know the material properties of the joining parts and of the solder materials. In particular Youngs modulus, yield stress, and the hardness are of great interest. Moreover, a complete stress-strain curve is important for a detailed material characterization and simulation of a component, e.g., by Finite Elements (FE). The miniaturization of modern electronic products with small solder joints allows only fabrication of very small-sized specimens. Because of this miniature tests are used for measuring the mechanical properties of the solders in the experimental investigations of this paper. More specifically two miniature tests are presented and discussed, a mini-uniaxial-tension-test and a nanoindenter experiment. In the tensile test the axial loading is prescribed, the corresponding extension of the specimen length is recorded, both of which determines the stress-strain- curve directly. The stress-strain curves are then mathematically analyzed by assuming a non-linear relationship between stress and strain of the Ramberg-Osgood type and fitting the corresponding parameters to the experimental data by means of an optimization routine. For a detailed analysis of very local mechanical properties nanoindentation is used, resulting primarily in load vs. indentation-depth data. According to the procedure of Pharr and Oliver this data can be used to obtain hardness and Youngs modulus but not a complete stress-strain curve, at least not directly. In order to obtain such a stress-strain-curve, the nanoindentation experiment is combined with FE and the coefficients involved in the corresponding constitutive equation for stress and strain are obtained by means of the inverse method. Finally in this paper, the stress-strain curves from nanoindentation and tensile tests are compared for two materials, namely aluminum and steel and differences are explained in terms of the locality of the measured properties.
An energy-based method to determine material constants in nonlinear rheology with applications
(2016)
Many polymer-type materials show a rate-dependent and nonlinear rheological behavior. Such a response may be modeled by using a series of spring-dashpot systems. However, in order to cover different time scales the number of systems may become unreasonably large. A more appropriate treatment based on continuum mechanics will be presented herein. This approach uses representation theorems for deriving material equations and allows for a systematic increase in modeling complexity. Moreover, we propose an approach based on energy to determine thematerial parameters.This method results in a simple linear regression problemeven for highly nonlinearmaterial equations. Therefore, the inverse problem leads to a unique solution. The significance of the proposed method is that the stored and dissipated energies necessary for the procedure are measurable quantities. We apply the proposed method to a 'semi-solid' material and measure its material parameters by using a simple-shear rheometer.
Deutschland und Polen haben ein gemeinsames Kulturerbe zu bewahren. Dies gilt auch für die niederschlesische Region mit ihren bedeutenden, aber gleichzeitig durch Umweltschadstoffe gefährdeten Kunstdenkmälern. Durch den Einbau von Außenschutzverglasungen wurden farbige Glasmalereifenster in der katholischen Pfarrkirche Niedersteine (Scinawka), der katholischen Kirche zu den Schutzengeln in Waldenburg (Walbrzych) und der Friedenskirche in Jauer (Jawor) modellhaft und nachhaltig vor der Einwirkung von Umwelteinflüssen geschützt. Die Restaurierung dieser Glasmalereifenster erfolgte in enger Abstimmung zwischen der Restaurierungswerkstatt und mit den am Projekt beteiligten Gutachtern und den zuständigen Denkmalbehörden. Die begleitende naturwissenschaftliche Untersuchungen betrafen die Auswahl unbedenklicher und langzeitbeständiger Restaurierungsmaterialien als auch die Auswahl und Überprüfung von geeigneten Schutzsystemen zur langfristigen Vermeidung von Korrosionsschäden insbesondere an den empfindlichen Glasmalereien.
The indication-oriented Dental Bone Graft Substitutes (DBGS) selection, the correct bone defects classification, and appropriate treatment planning are very crucial for obtaining successful clinical results. However, hydrophilic, viscoelastic, and physicochemical properties’ influence on the DBGS regenerative potential has poorly been studied. For that reason, we investigated the dimensional changes and molecular mobility by Dynamic Mechanical Analysis (DMA) of xenograft (cerabone®), synthetic (maxresorb®), and allograft (maxgraft®, Puros®) blocks in a wet and dry state. While no significant differences could be seen in dry state, cerabone® and maxresorb® blocks showed a slight height decrease in wet state, whereas both maxgraft® and Puros® had an almost identical height increase. In addition, cerabone® and maxresorb® blocks remained highly rigid and their damping behaviour was not influenced by the water. On the other hand, both maxgraft® and Puros® had a strong increase in their molecular mobility with different damping behaviour profiles during the wet state. A high-speed microscopical imaging system was used to analyze the hydrophilicity in several naturally derived (cerabone®, Bio-Oss®, NuOss®, SIC® nature graft) and synthetic DBGS granules (maxresorb®, BoneCeramic®, NanoBone®, Ceros®). The highest level of hydrophilicity was detected in cerabone® and maxresorb®, while Bio-Oss® and BoneCeramic® had the lowest level of hydrophilicity among both naturally derived and synthetic DBGS groups. Deviations among the DBGS were also addressed via physicochemical differences recorded by Micro Computed Tomography, Scanning Electron Microscopy, Fourier Transform Infrared Spectroscopy, X-ray powder Diffractometry, and Thermogravimetric Analysis. Such DBGS variations could influence the volume stability at the grafting site, handling as well as the speed of vascularization and bone regeneration. Therefore, this study initiates a new insight into the DBGS differences and their importance for successful clinical results.
Comparative study of the co-assembly behaviour of 3-chloro-4-hydroxy-phenylazo dyes with DTAB
(2023)
The co-assembly of three one-fold negatively charged 3-chloro-4-hydroxy-phenylazo dyes (Yellow, Blue and Red) with the cationic surfactant dodecyltrimethylammoniumbromide (DTAB) was studied to probe dye–DTAB binding stoichiometry and assembly morphology. For each dye, phase separation was observed above a given dye : DTAB ratio with the ratio depending on the dye. While Yellow and DTAB showed liquid/liquid phase separation above Yellow : DTAB = 1 : 1.67, crystalline dye–DTAB complexes were observed for Blue–DTAB and Red–DTAB above Blue : DTAB = 1 : 2.56 and Red : DTAB = 1 : 2.94 respecively. In homogeneous solution, UV/vis spectroscopic investigations suggest stochiometries of Yellow : DTAB = 1 : 2, Blue : DTAB = 1 : 3 and Red : DTAB = 1 : 4. It was concluded, that Yellow exhibits the highest dye : DTAB binding stoichiometry in both, dye–surfactant complexes in the 2-phase region and in solution, whereas the lowest dye : DTAB binding stoichiometry was observed for Red–DTAB in both cases. The observed stoichiometries are inversely correlated to the impact dye addition has on the morphology of DTAB micelles. Generally, addition of dye to DTAB micelles leads to a reduction in spontaneous curvature of these micelles and to the formation of triaxial ellipsoidal or cylindrical micelles from oblate ellipsoidal DTAB micelles. At a DTAB concentration of 30 mM and a dye concentration of 5 mM, this effect was most pronounced for Red and least pronounced for Yellow, whilst Blue showed an intermediate effect.