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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.
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.
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.
Das Ziel des Forschungsvorhabens „Zerstörungsfreie Ortung von Gefügestörungen in Betonbodenplatten“ bestand in der Entwicklung eines Untersuchungskonzepts zur sicheren Ortung und Erfassung von Gefügestörungen in einseitig zugänglichen Betonplatten durch den kombinierten Einsatz verschiedener zerstörungsfreier Prüfverfahren. Hierfür wurde die Leistungsfähigkeit der folgenden Messverfahren hinsichtlich ihrer Aussageschärfe, Anwendungsgrenzen und Messgeschwindigkeit bei praxisnahen Randbedingungen untersucht:
- Impakt-Echo, manuelle Impaktauslösung
- Impakt-Echo, automatisierte Impaktauslösung
- Ultraschall-Echo mit multistatischem Array
- Impuls-Thermografie
- Radar
Als Versuchskörper dienten sechs liegend hergestellte Betonplatten der Abmessungen 200/200/30 cm aus zwei verschiedenen Betongüten und mit unterschiedlichem Bewehrungsgehalt (Bewehrungsgrade 0 %, 0 ,9 %, 2 ,6 %), von denen vier Platten auf trockenem und zwei Platten auf ständig nass gehaltenem Sand gelagert waren. Alle sechs Platten enthielten jeweils dieselben künstlich eingebrachten Fehlstellen: vier quadratische Kiesnester in unterschiedlicher Tiefe mit Kantenlängen zwischen 10 und 15 cm sowie drei oberflächennahe Hohlstellen (Ø 4/6/8 cm). Zur Erfassung eines möglichen Einflusses des Betonalters wurden die Messungen 4 Tage, 28 Tage sowie 180 Tage nach Herstellung der Platten durchgeführt.
Um aus den Untersuchungen einen breiten Nutzen für die Praxis zu erzielen, basierten die eingesetzten Messverfahren auf handelsüblichen Geräten, welche jedoch bezüglich ihres Messprinzips und insbesondere der Datenerfassung und -auswertung weiterentwickelt wurden. Die Fehlstellengröße wurde bewusst klein gewählt.
Mit Ausnahme des manuellen Impakt-Echo-Verfahrens, mit welchem unter Verwendung der Originalsoftware des Herstellers keine Fehlstellen nachweisbar waren, zeigten sich alle Messverfahren geeignet, unter verschiedenen Randbedingungen Gefügestörungen zu lokalisieren. Insgesamt wurde jeder Fehlstellentyp von zumindest einem Verfahren bei mindestens zwei Versuchskörpern detektiert. Es konnten jedoch an keiner Betonplatte mit einem einzelnen Messverfahren alle vorhandenen Fehlstellen an allen Messterminen geortet werden.
Am häufigsten wurden die beiden großen oberflächennahen Fehlstellen (Hohlstelle Ø 8 cm, Kiesnest 10 cm) erkannt. Am schwersten zu lokalisieren waren die kleine Hohlstelle mit 4 cm Durchmesser sowie die beiden auf der Unterseite gelegenen Kiesnester.
Die Untersuchungen zeigen, dass für eine erfolgreiche Anwendung zerstörungsfreier Messverfahren in der Praxis die Auswahl des am besten geeigneten Verfahrens bzw. einer Kombination verschiedener Verfahren jeweils auf die vorliegende Problemstellung abgestimmt sein muss.
Für Betonbodenplatten mit hohem Feuchtegehalt (junger Beton) oder starker Bewehrung ist entweder das Ultraschall- oder das Impakt-Echo-Verfahren geeignet. Das Ultraschall-Verfahren wird von hohen Bewehrungsgehalten zwar stärker beeinflusst als das Impakt-Echo-Verfahren, besitzt aber eine bessere Auflösung und ermöglicht auch im oberflächennahen Bereich eine quantitative Bestimmung der Fehlstellentiefe. Das Impakt-Echo-Verfahren kann wegen der niederfrequenten Impulsanregung Fehlstellen erst in größeren Tiefen und mit schlechterer Auflösung nachweisen, ist aber ideal geeignet zur Bestimmung der Plattendicke aufgrund seines signifikanten Rückwandechos. Sowohl das Radar-Verfahren als auch die Impuls-Thermografie können bei hohen Feuchte- und Bewehrungsgehalten nur sehr oberflächennah eingesetzt werden.
Bei trockenem Beton und geringen bis mittleren Bewehrungsgehalten liefert das Radar-Verfahren sehr gute Ergebnisse. In kurzer Zeit ermöglicht es eine flächendeckende Ortung der Tiefenlage und Größe von Inhomogenitäten bei guter Auflösungsgenauigkeit. Vorhandene Bewehrung wird deutlich abgebildet, kann aber darunterliegende Fehlstellen verschatten. Alternativ kann die Impuls-Thermografie für die Ortung oberflächennaher Gefügestörungen eingesetzt werden. Das Verfahren eignet sich insbesondere bei Oberflächen, die nicht direkt zugänglich sind, da zwischen Infrarotkamera und Messobjekt nur Sichtkontakt bestehen muss.
Die Betongüte hatte bei keinem eingesetzten Verfahren einen erkennbaren Einfluss auf die Messergebnisse. Streng genommen ist dies jedoch nur für den Einfluss des Wasserzementwertes, der Zementart und des Zementgehalts bei gleichbleibender Sieblinie und gleicher Kornart gültig. Bei Verwendung von Leichtzuschlag sind abweichende Ergebnisse denkbar.
Im Rahmen eines FE-Projektes “Inspektion Fester Fahrbahnen“ der BAM und der Deutschen Bahn AG geht es um die Anwendung und weitere Entwicklung zerstörungsfreier Messverfahren zur Beurteilung des Zustandes Fester Fahrbahnen.
Nach ersten Versuchsreihen direkt im Gleis wurden für verschiedene Bauarten die charakteristischen Herstellungsbedingungen simuliert und systematisch untersucht. Die kombinierte Anwendung der drei Messverfahren Ultraschall-Array-, Impakt-Echo- und Impuls-Radar-Verfahren wird hier an dem Beispiel “Betonschwelle in Betoneinbettung” dargestellt.
Validation of novel ultrasonic phased array borehole probe by using simulation and measurement
(2022)
Low-frequency ultrasonic testing is a well-established non-destructive testing (NDT) method in civil engineering for material characterization and the localization of cracks, reinforcing bars and delamination. A novel ultrasonic borehole probe is developed for in situ quality assurance of sealing structures in radioactive waste repositories using existing research boreholes. The aim is to examine the sealing structures made of salt concrete for any possible cracks and delamination and to localize built-in components. A prototype has been developed using 12 individual horizontal dry point contact (DPC) shear wave transducers separated by equidistant transmitter/receiver arrays. The probe is equipped with a commercially available portable ultrasonic flaw detector used in the NDT civil engineering industry. To increase the sound pressure generated, the number of transducers in the novel probe is increased to 32 transducers. In addition, the timed excitation of each transducer directs a focused beam of sound to a specific angle and distance based on the previously calculated delay time. This narrows the sensitivity of test volume and improves the signal-to-noise ratio of the received signals. In this paper, the newly designed phased array borehole probe is validated by beam computation in the CIVA software and experimental investigations on a half-cylindrical test specimen to investigate the directional characteristics. In combination with geophysical reconstruction methods, it is expected that an optimised radiation pattern of the probe will improve the signal quality and thus increase the reliability of the imaging results. This is an important consideration for the construction of safe sealing structures for the safe disposal of radioactive or toxic waste.
Challenging new constructions and ageing infrastructure are increasing the demand for permanent monitoring of loads and condition. 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 long term 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, monitoring load effects on real structures as well as detecting acoustic events. Some sensors are operating already for several years. The sensors can be used as transmitter or receivers or switched between both roles. While most of the previous experiments have been active (at least one sensor serving as transmitter), new studies show that the sensors are useful as well for passive measurements, e. g. in acoustic emission or time reversal experiments. Besides application in civil engineering our setups can also be used for model studies in geosciences.
Die Coda transmittierter Ultraschallsignale in Beton enthält Informationen zu Struktur und Zustand des Materials bzw. deren Änderung. Relevant sind u. a. Temperatur, Stress, Feuchtigkeit und verschiedene Schädigungsmechanismen. Die zahlreichen Einflussfaktoren sind nur schwer zu trennen und die Messeffekte oft zu Beginn sehr klein.Die CWI ermöglicht die Detektion kleinster Geschwindigkeitsveränderungen durch den Vergleich, der in kleinen Schritten gestauchten oder gestreckten Signalen mit eine Referenzmessung. Andere Indikatoren für Änderungen im Material sind:
• Kreuzkorrelation
• Laufzeit direkte Welle
• Energie/Amplitude
• Änderungen im Frequenzspektrum
Die beschriebene Technik wird von uns bisher primär in klein- und großskaligen Laborversuchen genutzt. Die Forschung konzentriert sich auf die Untersuchung und Trennung verschiedener Einflusseffekte. Aber auch erste reale Bauwerke wurden schon instrumentiert, z. B. Brücken und eine Tunneldecke.
Ultrasound sensors should be embedded into concrete for monitoring concrete properties. These new longitudinal wave sensors with a center frequency of 60 kHz were examined regarding their suitability for ultrasonic measurements in concrete structures in terms of emission characteristics, sensitivity and frequency ränge.
For the measurement of the radiation patterns, the sensors were embedded vertically and horizontally in concrete cylinders. The directivity pattern was measured using a laser vibrometer.
The sensitivity of the sensor was determined in water using different sensors of the same type. It shows changes in the signal amplitude as well as variations in the frequency ränge for different transmitter-receiver combinations.
The attenuation of the concrete affects the achievable resolution of the measurements and thus, the maximum possible spacing of the sensors within a concrete element. Experimental tests helped optimizing the distances with respect to the required resolution and the effort of embedding the sensors. The signal attenuation in the concrete was measured in the frequency ränge of 60 kHz in response to various degrees of reinforcement and grain size. For this purpose, the sensors were cast at different distances in the specimens studied. The recorded Signals were evaluated for their amplitude and frequency spectrum.