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Organisationseinheit der BAM
- 8 Zerstörungsfreie Prüfung (11)
- 8.2 Zerstörungsfreie Prüfmethoden für das Bauwesen (10)
- 8.0 Abteilungsleitung und andere (2)
- 8.5 Röntgenbildgebung (2)
- 7 Bauwerkssicherheit (1)
- 7.4 Baustofftechnologie (1)
- 8.1 Sensorik, mess- und prüftechnische Verfahren (1)
- 8.4 Akustische und elektromagnetische Verfahren (1)
- 8.6 Faseroptische Sensorik (1)
- 9 Komponentensicherheit (1)
Eingeladener Vortrag
- nein (5)
The research project "Ultrasonic Net for Concrete Monitoring (UNeCOM)" aims at developing a methodology for an embedded ultrasonic network for the condition assessment of infrastructure constructions. Civil engineering structures made of concrete, which are located in tectonically active regions or undergo special loading conditions, may require continuous monitoring. It is important to assess the condition of the building and its stability to recognise and classify the effect of a seismic event or evolving damage at early stages before failure occurs. Embedded ultrasonic sensors offer the possibility to detect changes in the material and degradation mechanisms from inside the structure in areas which are difficult or impossible to inspect otherwise. In contrast to conventional ultrasonic testing methods, where the concrete surfaces are scanned with ultrasound probes, this new approach uses sensors, which are embedded into concrete, eliminating the effect of variable coupling conditions between sensors and concrete. This method allows an integral detection of changes in the concrete structure, for example due to seismic activities, to detect mechanical impacts, as well as degradation of the material due to overloading. Such methods have great relevance especially for the monitoring of constructions like power plants, bridges, offshore structures and other structures with high technical safety requirements. The sensor network can be controlled remotely through the internet which is also being used for data transfer. The embedded sensor network is designed to monitor structural damage and concrete degradation globally with high sensitivity.
Characterization of reflector types by phase-sensitive ultrasonic data processing and imaging
(2008)
Ultrasonic and radar imaging techniques are limited in resolution by the wavelength in the material, yet information beyond those limits is hidden in complex frequency dependent reflection coefficients. The analysis of the phase of complex reflection coefficients together with the properties of imaging algorithms can help to characterize and to classify indications of defects in concrete buildings. This paper describes a method to extract phase information from measurements and SAFT reconstructed images. The influencing factors like material properties, transducer characteristics, and imaging algorithms based on Born or Physical Optics approximations are elaborated. Simulated and experimental results are briefly discussed.
Es wurden Untersuchungen hinsichtlich der Eignung und der praktischen Relevanz von codierten Sendesignalen als Anregungsimpulse für die Ultraschallprüfung von Betonbauteilen durchgeführt. Anhand von synthetischen Daten werden die theoretischen Vorteile der codierten Impulssequenzen gezeigt. Im Anschluss werden Barker- und Golay-codierte Sendesignale an einer Betonstufenplatte mit einem Größtkorn von 16 mm getestet.
Es zeigt sich das große Potenzial dieses Verfahrens, insbesondere bei Verwendung von Golay-Sequenzen als Anregung für die Ultraschallprüfköpfe. Es ergibt sich ein deutlich verbessertes Signal-Stör-Verhältnis im Vergleich zu den herkömmlichen bipolaren Rechteckimpulsen.
A new type of ultrasonic borehole probe is currently under development for the quality assurance of sealing structures in radioactive waste repositories using existing research boreholes. The goal is to examine the sealing structures made of salt concrete for possible cracks, delamination, and embedded objects. Earlier prototype probes use 12 or 16 individual dry point contact (DPC) horizontal shear wave transducers grouped into a transmitter and a receiver array, each made up of six or eight individual transducers. They are operated with a commercially available portable ultrasonic flaw detector used in the civil engineering industry. To increase the generated sound pressure of the borehole probe, the number of transducers in the novel probe is increased to 32. In addition, timed excitation of each probe is used to direct a focused sound beam to a specific angle and distance based on calculated time delays. Hence, the sensitive test volume is limited, and the signal-to-noise ratio of the received signals is improved. This paper presents the validation of the newly developed phased array borehole probe by beam computation in CIVA software and experimental investigations on a semi-cylindrical test specimen to investigate the directional characteristics. In combination with geophysical reconstruction techniques, an optimised radiation pattern of the probe is expected to improve the signal quality and thus increase the reliability of the imaging results.
This is of great importance for the construction of safe sealing structures needed for the disposal of radioactive or toxic waste.
Cracks perpendicular to the surface may be initial indicators for a deterioration process of concrete structures. Moisture penetrates inside the structure and transports adverse chemicals. The paper presents an investigation about the reliability of available commercial non-destructive evaluation techniques to reliably estimate the depth of surface-breaking cracks in reinforced concrete structures. Aim of the study was the investigation of surface-braking cracks under laboratory conditions. Commercial acoustic devices as impact echo equipment, single ultrasonic transducers and arrays were applied even if they have not been developed for this purpose. The commercial software and descriptions for application was followed strictly to compare the function, precision and repeatability of the measurements. Both, perpendicular notches and cracks have been considered. The study was completed with a discussion about reference specimens. The study was the basis for formulation of gaps in research. The Electric Power Research Institute (EPRI) has initiated and funded a Project.
Der für die Ultraschallprüfung an Beton anwendbare Frequenzbereich liegt aufgrund von Streuungen an den Gesteinskörnern in der Regel zwischen 50 kHz und 200 kHz. Die niedrigen Prüffrequenzen führen zu einem für die Ultraschallprüfung ungünstigen Verhältnis des Prüfkopfdurchmessers zur Wellenlänge, was zu einem fast ungerichteten Abstrahlungsverhalten für Longitudinalwellen führt. Außerdem kommt es zusätzlich zu einer erheblichen Abstrahlung von Transversalwellen und Oberflächenwellen, die eine Ultraschallprüfung stören. Im Rahmen der Arbeit werden Konzepte für den Einsatz der Ultraschallprüfung mit Strahlergruppen an Betonbauteilen vorgestellt und der Einfluss der Betoneigenschaften auf die Ultraschallausbreitung bei der Anwendung dieser Technik untersucht. Um das Abstrahlungsverhalten zu verbessern, kann man mehrere Prüfköpfe zu Strahlergruppen zusammenschalten oder mit geringerem Aufwand an Gerätetechnik und Prüfköpfen nach dem Prinzip der sog. synthetischen Apertur entsprechende Strahlergruppen durch sequentielle Abtastung einer „Apertur“-Fläche mit einem Prüfkopf nachbilden. Wird das Prüfobjekt durch einen Prüfkopf mit einem großen Divergenzwinkel abgetastet, kann durch nachträgliche Rekonstruktionsrechnung nach dem SAFT-Verfahren (Synthetische Apertur- Fokussierungstechnik) die Aussagesicherheit der Messergebnisse verbessert werden, indem rechnerisch auf bestimmte Bereiche im Betonbauteil fokussiert wird. Die Ankopplung von Prüfköpfen auf Betonoberflächen ist sehr zeitaufwendig. Daher lohnt es sich, um die Prüfleistung pro Ankopplung zu erhöhen, die Messdatenverarbeitung nicht nur auf die Anwendung von SAFT zu beschränken. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird für die gleiche Aufgabe erstmals ein laufzeitgesteuerter Gruppenstrahler für den Niederfrequenzbereich, bestehend aus zehn einzelnen Prüfköpfen, entwickelt, mit dem schon während der Messung das Schallfeld verändert werden kann. Die Entwicklung orientiert sich an Gesichtspunkten, wie einfache Handhabbarkeit und Aufwandsoptimierung, so dass für die nachfolgenden Experimente ein Gerät zur Verfügung steht, wie es am ehesten auch in der Praxis Verwendung finden könnte. Die durch eine mit Sendeendstufen ausgerüsteten Strahlergruppe gegebene Möglichkeit der Erzeugung realer Schallfelder gestattet es, die Ausbildung dieser Schallfelder und deren Steuerbarkeit unter den Bedingungen des inhomogenen Werkstoffes Beton, auch experimentell zu überprüfen. Um den Einfluss der Schwingerform und -größe der Prüfköpfe auf das Schallfeld theoretisch zu untersuchen, wird ein Rechenprogramm auf Grundlage der Punktquellensynthese entwickelt, das bei der Berechnung die Annahme beliebiger Schwingergeometrien und - anordnungen zulässt. Die Grundlage bilden bewährte Modelle aus der Gruppenstrahler- technik für metallische Werkstoffe. In Zusammenarbeit mit der Universität Kassel wird mit Hilfe von Simulationsrechnungen mit der Elastodynamischen Finiten Integrationstechnik (EFIT) der Einfluss von Luftporen und der Gesteinskörnung auf die Ultraschallausbreitung des Gruppenstrahlers im Beton untersucht. Zur experimentellen Überprüfung des Gruppenstrahler-Prüfkopfes werden zunächst sowohl Schallfeldprofile als auch Schallschnelleverteilungen im Schallbündelquerschnitt mit und ohne Fokussierung des Schallbündels gemessen. Die Messungen erfolgen an Betontestkörpern (8 mm und 16 mm Größtkorn) mit einem scannenden Laservibrometer in Durchschallung. Das dazu verwendete Laservibrometer arbeitet nach dem Prinzip der Frequenzverschiebung durch den Dopplereffekt und bestimmt aus dem am Messpunkt rückgestreuten Laserlicht punktweise die Schallschnelle der schwingenden Betonoberfläche. Durch einen vorgeschalteten Spiegelscanner kann eine vorgegebene Messfläche automatisch abgetastet werden. Eine besonders anschauliche Methode, die Funktionsweise des Gruppenstrahlers zu demonstrieren, ist die Visualisierung der Wellenausbreitung durch Abtastung des Schallfeldes an einer Schnittfläche des Schallbündels, die möglichst parallel und nahe zur Bündelachse liegt. Dies kann die Seitenfläche eines Testblockes sein, auf die das Schallbündel fast streifend auftrifft. Mit Hilfe eines an diese Messtechnik angepassten Auswerteverfahrens können die Vorgänge der Schallwellenausbreitung als Moment- aufnahmen dargestellt werden. Die Untersuchungen ergeben, dass die Gruppenstrahlertechnik auch für Ultraschall- untersuchungen an Betonbauteilen anwendbar ist. Bei dem Einsatz von mehreren einzelnen Prüfköpfen als Gruppenstrahler-Prüfkopf können durch geeignete Positionierung der Prüfköpfe zueinander störende Gitterkeulen minimiert werden.
Recently developed new transducers for ultrasonic transmission, which can be embedded right into concrete, are now used for non-destructive permanent monitoring of concrete. They can be installed during construction or thereafter. Large volumes of concrete can be monitored for changes of material properties by a limited number of transducers. The transducer design, the main properties as well as installation procedures are presented. It is shown that compressional waves with a central frequency of 62 kHz are mainly generated around the transducer's axis. The transducer can be used as a transmitter or receiver. Application examples demonstrate that the transducers can be used to monitor concrete conditions parameters (stress, temperature,
) as well as damages in an early state or the detection of acoustic events (e.g., crack opening). Besides application in civil engineering our setups can also be used for model studies in geosciences.
The Large Aperture Ultrasound System (LAUS) developed at BAM is known for its ability to penetrate thick objects, especially concrete structures commonly used in nuclear waste storage and other applications in civil engineering. Although the current system effectively penetrates up to ~9 m, further optimization is imperative to enhance the safety and integrity of disposal structures for radioactive or toxic waste. This study focuses on enhancing the system’s efficiency by optimizing the transducer spacing, ensuring that resolution is not compromised. An array of twelve horizontal shear wave transducers was used to find a balance between penetration depth and resolution. Systematic adjustments of the spacing between transmitter and receiver units were undertaken based on target depth ranges of known reflectors at depth ranges from 5 m to 10 m. The trade-offs between resolution and artifact generation were meticulously assessed. This comprehensive study employs a dual approach using both simulations and measurements to investigate the performance of transducer units spaced at 10 cm, 20 cm, 30 cm, and 40 cm. We found that for depths up to 5 m, a spacing of 10 cm for LAUS transducer units provided the best resolution as confirmed by both simulations and measurements. This optimal distance is particularly effective in achieving clear reflections and a satisfactory signal-to-noise ratio (SNR) in imaging scenarios with materials such as thick concrete structures. However, when targeting depths greater than 10 m, we recommend increasing the distance between the transducers to 20 cm. This increased spacing improves the SNR in comparison to other spacings, as seen in the simulation of a 10 m deep backwall. Our results emphasize the critical role of transducer spacing in achieving the desired SNR and resolution, especially in the context of depth imaging requirements for LAUS applications. In addition to the transducer spacing, different distances between individual sets of measurement positions were tested. Overall, keeping the minimal possible distance between measurement position offsets provides the best imaging results at greater depths. The proposed optimizations for the LAUS in this study are primarily relevant to applications on massive nuclear structures for nuclear waste management. This research highlights the need for better LAUS efficiency in applications such as sealing structures, laying the foundation for future technological advances in this field.
Dieser Beitrag stellt die aktuellen Fortschritte der Ultraschallprüfung von Betonbauteilen basierend auf dem ICA-Verfahren vor. Das eingesetzte Verfahren wird bereits erfolgreich in anderen Bereichen der Ultraschallprüfung angewendet. Das große Potential dieser Methode liegt in der Möglichkeit, die sich überlagernden Reflexionen der Ultraschallsignale durch nur wenige Messungen in Echtzeit voneinander zu trennen und durch einfache Triangulation zu lokalisieren.
Es wurden Experimente hinsichtlich der Eignung und praktischer Relevanz des JADE-Algorithmus durchgeführt. Die Untersuchungen erfolgten sowohl an Polyamid als auch an Betontestkörpern. Die Leistungsfähigkeit des JADE-Algorithmus bezüglich der Quellsignaltrennung wird anhand von mehrkanaligen Ultraschallmessungen gezeigt. Die extrahierten Komponenten enthalten Signalanteile, die mit den entsprechenden Echosignalen in der Messung korrelieren.
Zukünftig wird das untersuchte Verfahren mit der Gruppenstrahlertechnik und einem geeigneten Sende-Empfangskonzept kombiniert, um so die Aussagesicherheit der zerstörungsfreien Untersuchungen zu erhöhen.
Entwicklung einer Bohrlochsonde für Ultraschalluntersuchungen an Abschlussbauwerken in Endlagern
(2021)
Für die Qualitätssicherung von Abschlusswerken für Endlager wird eine Ultraschall-Bohrlochsonde entwickelt. Mithilfe dieser Sonde, die aus einer Vielzahl von einzelnen koppelmittelfreien Ultraschall-Punktkontaktprüfköpfen besteht, soll die Rissfreiheit der Versuchsbauwerke überprüft werden.
Ein erster Prototyp der Sonde wurde mit einem kommerziellen Ultraschallgerät betrieben und bestand aus 12 Transversalwellen-Punktkontaktprüfköpfen von denen jeweils sechs als Sender und sechs als Empfänger parallelgeschaltet waren. Um den erzeugten Schalldruck der Bohrlochsonde zu steigern, wurde bei der Neuentwicklung die Prüfkopfanzahl erhöht und zusätzlich die laufzeitgesteuerte Anregung der einzelnen Prüfköpfe vorgesehen. Für die Anregung der Prüfköpfe mit programmierten Zeitverzögerungen wurde ein neuartiger mehrkanaliger Sender für bipolare Rechtecksignale entwickelt.
Durch die Entwicklung der Bohrlochsonde soll eine dynamische Anpassung der Prüfkopf-Apertur sowie eine Fokussierung des Schallfeldes in Abhängigkeit der zu untersuchenden Tiefe erfolgen. Mithilfe entsprechender Anregungsfunktionen kann das Schallfeld der Bohrlochsonde unterschiedlich geformt werden, z. B. ist auch ein Schwenken des fokussierten Schallbündels möglich. Dadurch wird das erfasste Prüfvolumen begrenzt und auf diese Weise das Signal-Störverhältnis der Empfangssignale verbessert. In Kombination mit SAFT-Rekonstruktionsrechnungen wird durch eine optimierte Abstrahlcharakteristik der Sonde mit einem hohen Schalldruck unter verschiedenen Winkeln eine verbesserte Signalqualität und damit eine erhöhte Aussagesicherheit der Ergebnisse in der Objektabbildung erwartet.
Entwicklung einer Gruppenstrahler-Sendeeinheit für Ultraschalluntersuchungen von Betonbauteilen
(2002)
Zusammenfassung
Die Ultraschall Phased-Array-Technik oder auch Gruppenstrahlertechnik wird erfolgreich in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung an Metallen und Kunststoffen eingesetzt. Mit dieser Technik kann durch zeitlich gesteuerte Anregung der einzelnen Wandlerelemente des Arrays das Schallbündel im Probekörper verschoben, geschwenkt und/oder fokussiert werden. Der für Beton anwendbare Frequenzbereich liegt in der Regel von 50 kHz bis 200 kHz. Die Erzeugung der notwendigen Verzögerungen der Sendespannungen für die Schallbündelsteuerung kann in diesem Frequenzbereich durch kommerziell erhältliche Komponenten der Rechnertechnik erreicht werden. Die Hardware-Entwicklung beschränkt sich somit nur auf die Leistungssendestufen und das Interface zwischen dem Steuerrechner und dem Leistungsteil.
Die Phased-Array-Sendeapparatur besteht aus einem Steuerrechner mit eingebauten Timerbaugruppen und einem externen Leistungsteil mit 10 eingebauten Sendern für die Ultraschallprüfköpfe. Als Kompromiss zwischen Schaltungsaufwand und bestmöglicher Anregung werden z. Zt. Rechtecksendestufen mit einstellbarer Impulsbreite verwendet. Durch die variable Impulsbreite kann, je nach verwendeten Prüfköpfen, die Anregung optimiert werden.
Orientierende Messungen wurden an einem 50 cm dicken Betonprobekörper mit einem Größtkorn von 8 mm durchgeführt. Die Möglichkeiten des Fokussierens und des Schwenkens des Schallbündels sind in Durchschallung überprüft worden. Es erfolgte danach ein Vergleich der Ergebnisse mit einer Modellrechnung auf Grundlage der Punktquellensynthese.
Entwicklung einer Gruppenstrahler-Sendeeinheit für Ultraschalluntersuchungen von Betonbauteilen
(2002)
Laser vibrometric contactless sound field measurements at a concrete test block are presented. Both excitation by an ultrasonic probe and by an impactor were used. The wave modes can be identified by their geometric wave forms and propagation velocities. Additionally, numerical simulation of the experimental situation is used to support this interpretation. Possible applications of the presented technique are discussed. ©2005 American Institute of Physics
Für Ultraschallmessungen in Betonbauteilen wurden neuartige radialsymmetrisch abstrahlende Longitudinalwellenprüfköpfe mit einer Mittenfrequenz von 60 kHz auf deren Eignung hinsichtlich Abstrahlcharakteristik, Empfindlichkeit und Frequenzspektrum untersucht.
Für die Messung der Abstrahlcharakteristiken wurden die Prüfköpfe vertikal und horizontal in Betonzylinder eingebettet und die Richtungsabhängigkeiten der Schallschnelle mithilfe eines Laservibrometers gemessen.
Die Streuung der Prüfkopfempfindlichkeit wurde im Wasserbad unter Verwendung verschiedener Köpfe gleicher Bauart bestimmt. Außer Änderungen der Signalamplituden zeigten sich auch Schwankungen im Frequenzbereich bei verschiedenen Sender-Empfängerkombinationen.
Die Schallschwächung des Betons hat Einfluss auf die erreichbare Auflösung der Messungen und damit auf die maximal möglichen Senderabstände im Bauteil. Durch experimentelle Untersuchungen und Simulationen erfolgte eine Optimierung der Abstände hinsichtlich des Aufwandes und der geforderten Auflösung. Die Signalschwächung im Beton wurde mit verschiedenen Impulsen im Frequenzbereich von 50 kHz bis 100 kHz in Abhängigkeit verschiedener Bewehrungsgrade und Korngrößen ermittelt. Hierfür wurden die Sensoren in unterschiedlichen Abständen in die Probekörper einbetoniert und die Empfangssignale hinsichtlich Amplitudenabfall und Frequenzspektrum untersucht.
Für die zerstörungsfreie Prüfung im Bauwesen ist es neuerdings gelungen, mit laufzeitgesteuerten Ultraschall-Gruppenstrahlern Objekte in Betonbauteilen zu orten. Um eine Bündelung des Schallfeldes zu erreichen, konnten bisher bereits nach dem Prinzip der synthetischen Apertur durch sequenzielle Abtastung einer Bauteiloberfläche mit einem Prüfkopf große Strahlerflächen nachgebildet werden. Als alternative Methode zur Schallfeldbündelung bietet sich die Zusammenschaltung mehrerer Prüfköpfe zu Strahlergruppen an. Werden die einzelnen Prüfköpfe einer solchen Gruppe laufzeitgesteuert angeregt, kann schon während der Messung das Schallfeld geeignet geführt werden. Modellierte und experimentelle Schallfelder werden verglichen. Die Ortung eines Rohrkörpers im Beton wird demonstriert. An vielen Betonbauwerken, wie zum Beispiel Brücken, werden regelmäßig Inspektionen durchgeführt. Wünschenswert sind zerstörungsfreie Prüfverfahren, mit denen im Rahmen der Inspektionen auch von außen nicht sichtbare Fehler am Bauwerk festgestellt werden können, bevor diese zu schwerwiegenden Bauwerksschäden führen.
Acoustic NDT methods like ultrasonic echo and impact-echo are successfully used for NDT of concrete structures. This paper describes useful techniques for a detailed experimental study of the elastic wave propagation, which is highly relevant for the interpretation of the results obtained from practical measurement applications.
By using a scanning laser vibrometer it becomes possible to obtain a 2D visualization of the elastic waves propagating along the surfaces of concrete specimens. Time slices are prepared so that the wave field becomes apparent.
In order to visualize especially the surface wave propagation a similar technique using a scanning system with a piezoelectric sensor is applied.
The results obtained provide an appropriate basis for the comparison with numerical results from 3-D Elastodynamic finite integration technique (EFIT) calculations, which is demonstrated here.
Examples are presented for the application with phased array ultrasonic echo, air-coupled ultrasonic echo and impact-echo.
In Zeiten knapper Kassen wird überall nach Wegen gesucht Kosten einzusparen. Im Bauwesen geht es dabei um Kosteneinsparungen ohne Reduktion der Sicherheit und Dauerhaftigkeit des Bauwerks. Beim Bauen im Bestand können mit einer zerstörungsfreien Prüfung von Bauwerken die Weiternutzung oder die erforderlichen Umbauten optimiert werden und so Kosten eingespart werden.
Multi-sensory monitoring and ultrasound for quality assurance at underground sealing structures
(2023)
Within the safety concepts of underground disposal sites of nuclear waste, engineered barriers play an important role. As these sealing structures have high demands concerning integrity, we aim at advancing the available construction materials, monitoring, and inspection techniques within the project SealWasteSafe. A specifically developed alkali-activated material is compared to classical salt concrete. A comprehensive multi-sensory monitoring scheme is used at 150-340 l specimens to monitor setting and hardening of both materials. All sensors are demonstrated to resist the highly alkaline environments. Besides cabled and wireless temperature and humidity of the materials, strain variations using fibre optic sensors and acoustic emissions are recorded over periods of at least 28 days, partly for more than eight months. After hardening of the specimens, further nondestructive evaluations using ultrasonic echo and thermographic measurements are conducted.
Preliminary results proof the suitability of the tested sensors and clearly highlight differences between the tested materials. Particularly, the newly developed alkali-activated material shows lower acoustic emission activity indicating less cracking activity. Additionally, unique ultrasonic methods will enable better images of potential internal objects and cracks at in-situ sealing structures. A largescale ultrasonic system is optimised to reliably detect objects at a depth exceeding 9 m while still obtaining a good resolution. Modelling studies show the potential of further increasing the distance between individual transducer arrays. Additionally, a new ultrasonic borehole probe using phased arrays allowing for beam focussing is constructed and tested. Laboratory measurements at a halfcylindrical concrete specimen coincide well with the previous modelling. In total, the presented safe materials, detailed monitoring approaches and ultrasonic quality assurance methods will help to obtain safe sealing structures within salt as a host rock. The concepts can partly be transferred to sealing structures in alternative host rocks and will also be valuable for non-nuclear waste repositories.
Muon Tomography of the Interior of a Reinforced Concrete Block: First Experimental Proof of Concept
(2021)
Quality assurance and condition assessment of concrete structures is an important topic world-wide due to the aging infrastructure and increasing traffic demands. Common topics include, but are not limited to, localisation of rebar or tendon ducts, geometrical irregularities, cracks, voids, honeycombing or other flaws. 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. Until the 1980s X-ray transmission was used 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. Muon tomography has received much attention recently. Novel detectors for cosmic muons and tomographic imaging algorithms have opened up new fields of application, such as the investigation of freight containers. Muon imaging also has the potential to fill some of the gaps currently existing in concrete NDT. As a first step towards practical use 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 are at least of similar quality compared to ultrasonic and radar imaging, potentially even better. The data acquisition takes more time and signals contain more noise, but the images allowed to detect the same important features that are visible in conventional high energy X-ray tomography. In our experiment, we have shown that muon imaging has potential for concrete inspection. The next steps include the development of mobile detectors and optimising acquisition and imaging parameters.
Integration of fiber reinforcement in high-performance cementitious materials has become widely applied in many fields of construction. One of the most investigated advantages of steel Fiber reinforced concrete (SFRC) is the deceleration of crack growth and hence its improved sustainability.
Additional benefits are associated with its structural properties, as fibers can significantly increase the ductility and the tensile strength of concrete. In some applications it is even possible to entirely replace the conventional reinforcement, leading to significant logistical and environmental benefits.
Fiber reinforcement can, however, have critical disadvantages and even hinder the Performance of concrete, since it can induce an anisotropic material behavior of the mixture if the fibers are not appropriately oriented. For a safe use of SFRC in the future, reliable non-destructive testing (NDT) methods need to be identified to assess the fibers’ orientation in hardened concrete. In this study,
ultrasonic material testing, electrical impedance testing, and X-ray computed tomography have been investigated for this purpose using specially produced samples with biased or random Fiber orientations. We demonstrate the capabilities of each of these NDT techniques for fiber orientation measurements and draw conclusions based on these results about the most promising areas for future research and development.
Research and Development in Non-Destructive Testing in Civil Engineering at BAM has de-veloped over more than two decades. Highlights of present research are ultrasound phase array probes, ground penetrating radar applications for the assessment of existing structures and Laser Induced Breakdown Spec-troscopy (LIBS) to determine which chemical elements on the surface of a specimen are. RFID sensor devel-opments for wireless moisture monitoring and data fusion for the combined analysis of sensor data are fast developing areas. In addition, a selection of application cases is briefly described.
Nuclear Power Plants have been in operation for ca. 50 years. Based on this experience, non-destructive testing tasks specific to thick and highly reinforced nuclear containment structures have materialized. The performance based Service life extension of existing NPPs also needs a measurement based decision to support continuing the service of the concrete part of the installations.
By nature, concrete is a very durable material and any natural Deterioration processes may take a long time to become critical to the structure. The experience of more than 50 years of service limits the testing tasks to a few ones which are not yet solved.
Research in NDT of concrete structures is performed by many research institutions all over the world with different technical and systematic approaches. Results are mainly obtained on laboratory specimens, sometimes additional field studies are reported. This research takes place independently without coordination and as a result, the outcomes mostly lack full comparability.
Software for data analysis has become indispensable and very powerful. This part of testing needs more attention when it comes to evaluate test results. Validation of NDE solutions is becoming a critical part in concrete structure testing.
Validation is by definition the proof that a customer´s requirements in the test are being met by the testing solution. This includes equipment, personnel qualification and data analysis. In the following tables, the research recommendation Validation is used in the sense, that proof of the performance of existing solutions needs to be adressed. In general, a validation methodology for NDE solutions for concrete testing in itself needs to be researched and established.
Comparability of research also needs an accepted and easily accessible reference. From experience, it is almost impossible to manufacture exact copies of test specimens at different locations. Round Robin tests are therefore needed to evaluate the performance of a test.
Data evaluation is generally done using dedicated software, sometimes Hardware dependant and not interchangeable between systems. Software is ever more increasingly becoming more powerful and sophisticated. An in-depth evaluation needs to address the comparability and validation of Software used for data analysis and evaluation. The vision of a unified software pool for NDE investigations would undoubtedly support research tremendously.
Quantitative NDE is mostly recommended to assess the condition of a structure. However, qualitative data can be very useful, especially for processes which change the material properties or deteriorate the structure (e.g. corrosion of reinforcement). The need for reliable baseline data is a key factor for such monitoring tasks.
An innovative application of ultrasonic testing using phased arrays for concrete components was investigated. A low frequency ultrasonic phased array consisting of ten transducers was used. This configuration allowed the variation and control of the sound field directivity during the measurement. The measurements were carried out on concrete test specimens using a scanning laservibrometer in through transmission mode. The laboratory measurements were compared to theoretical calculations to investigate the influence of shape and dimension of the transducer on the resulting sound field patterns. The technique was successfully implemented to detect an ungrouted tendon duct in a concrete block.
Einsatzbereiche des Meßsystems:
- Ortung von Strukturelementen oder Verdichtungsmängeln in Beton
- Dickenbestimmung von Bauteilen bei einseitiger Zugänglichkeit
- Messung des Haftverbundes bei mehrschichtigen Bauteilen
Auswerteverfahren:
- Prinzip der laufzeitkorrigierten Überlagerung
Vorteile:
- Automatischer Meßablauf durch Array-Technik
- Flexibler Einsatz durch lange Kabelverbindungen zwischen Prüfkopfarray und Meßapparatur
Ultrasonic imaging of tendon ducts enables the precise localisation of grouting faults in many cases. Additionally to well known criteria for detecting grouting faults in tendon ducts recently new possibilities were developed. Two main effects influence the complex behaviour of wave propagation and reflection: a) different arrangement and number of strands or internal rebars; b) superposition of reflecting signals and different wave modes propagating into the interface region around the tendon duct. In order to understand the experimental results, EFIT modelling is performed (EFIT: Elastodynamic Finite Integration Technique).
Im Jahr 2011 hat der Bundestag in Deutschland den Ausstieg aus der Kernenergie beschlossen. Der angefallene Abfall wird mehr als hunderttausend Jahre eine derartig hohe Aktivität besitzen, dass er eine erhebliche Gefahr für nachfolgende Generationen darstellen kann. Dieser radioaktive Abfall soll in tiefen geologischen Formationen (z.B. Salz, Ton oder Kristallin) sicher endgelagert werden. Die Endlager werden mittels sogenannter geotechnischer Abdichtbauwerke (Schachtbzw. Streckenverschlüsse) verschlossen, wofür u.a. Zement- oder Sorel-basierte Baustoffe (Betone) in Frage kommen. Die Beschreibung des Dichtvermögens dieser Bauwerke ist unabdingbar. In der Forschungsphase werden verschiedene Werkstoffe untersucht und Methoden für die zerstörungsfreie Untersuchung der Bauwerke als Mittel der Qualitätsprüfung entwickelt. Hierbei ist der Nachweis der Rissfreiheit bzw. die Detektion möglicher Risse ein vorrangiges Thema. In den letzten Jahren konnten bereits umfangreiche Erfahrungen mit der Untersuchung von in-situ-Versuchsobjekten in Realmaßstab gesammelt werden. Die Messungen wurden im Endlager für radioaktive Abfälle Morsleben am in-situ-Versuch “Abdichtbauwerk im Steinsalz” und in der Grube Teutschenthal am Großversuch GV2 durchgeführt. Es ist gelungen mit einem neu entwickelten Ultraschall-Messsystem Eindringtiefen bis ca. 9,0 m zu realisieren. Die Messungen mit dem Large Aperture Ultrasonic System in Kombination mit der Rekonstruktion-Methode Synthetic Aperture Focusing Technique zeigen, dass die zerstörungsfreie Prüfung von Abdichtbauwerken möglich und die Nutzung des Messsystems zur Qualitätssicherung bei der Erstellung der Verschlussbauwerke vielversprechend ist.
Ultrasonic methods are used in concrete investigations since decades. While being limited to transmission testing in the laboratory for a while, in-situ echo measurements for structural investigations and condition assessment have made their way into practical application in the past 20 years. However, several challenges remain. On one side, there are technical issues as limitations in depth of penetration, resolution and imaging capabilities. On the other side there are still gaps in validation, standardization and certification, which are limiting the applicability in condition/load capacity assessment.
This review reports a couple of developments which will help to overcome these issues. This includes technical developments as new devices which are easier to handle on site or giving a much deeper penetration depth (e.g. the LAUS device at BAM) as well as improvements in imaging by hardware update (e. g. air coupled ultrasound or coded signals) or new software (e. g. RTM imaging). To foster the application in real world projects we are as well working on standardization by developing new reference specimen with international partners which will ensure world-wide comparability of ultrasonic and other methods and quality assurance codes. Further, non-destructive methods are being used to update probabilistic models used for the reassessment of existing structures to support the structural engineer’s decisions.
Ultraschallmessverfahren werden seit Langem erfolgreich für Prüfaufgaben, wie zum Beispiel die Ermittlung von Bauteilgeometrien, im Bauwesen eingesetzt. Um die Schallbündelung der Prüfköpfe zu verbessern, werden oft mehrere Prüfköpfe in einem Array angeordnet. Für die Entwicklung der Prüfkopfarrays ist es zweckmäßig, mithilfe von Modellierungen den Einfluss der Arraygröße, der Anordnung der Einzelprüfköpfe im Array und der Prüffrequenz auf das Schallfeld zu untersuchen. Dazu werden in der Praxis erfolgreich Modellierungen auf der Basis der Elastodynamischen Finiten Integrationstechnik (EFIT) und der Punktquellensynthese angewendet. Beim Aufbau der Arrays kommen zurzeit immer häufiger Transversal-Punktkontaktprüfköpfe zur Anwendung. Daher wird bei der Beschreibung der Schallfeldberechnung insbesondere auf die der Transversalwellenprüfköpfe eingegangen und mithilfe von Modellierungen und Experimenten gezeigt, wie sich die Prüfkopfpositionierung auf die Richtcharakteristik auswirkt.
Within the project SealWasteSafe, we advance construction materials and monitoring concepts of sealing structures applied for underground disposal of nuclear or toxic waste. As these engineered barriers have high demands concerning integrity, an innovative alkali-activated material (AAM) is improved and tested on various laboratory scales. This AAM has low reaction kinetics related to a preferential slow release of the heat of reaction in comparison to alternative salt concretes based on Portland cement or magnesium oxychloride cements. Hence, crack formation due to thermally induced strain is reduced. After successful laboratory scale analysis (Sturm et al., 2021), the AAM is characterised on a larger scale by manufacturing test specimens (100–300 L).
Conventional salt concrete (DBE, 2004) and the newly developed AAM are compared using two specimen geometries, i.e. cylindrical and cuboid. A comprehensive multisensor monitoring scheme is developed to compare the setting process of AAM and salt concrete for these manufactured specimens. The analysed parameters include temperature and humidity of the material, acoustic emissions, and strain variations. Passive sensor systems based on radiofrequency identification technology (RFID) embedded in the concrete, enable wireless access to temperature and humidity measurements and are compared to conventional cabled systems. Additionally, fibre-optic sensors (FOS) are embedded to record strain, but also have potential to record temperature and moisture conditions. Part of this project aims at demonstrating the high reliability of sensors and also their resistance to highly alkaline environments and to water intrusion along cables or at sensor locations. Further technical improvements were implemented so that first results clearly show the scalability of the setting process from previous small-scale AAM experiments and particularly the high potential of the newly developed approaches.
Furthermore, ultrasonic methods are used for quality assurance to detect obstacles, potential cracks and delamination. On the one hand, both active and passive ultrasonic measurements complement the results obtained from the multisensor monitoring scheme for the produced specimens. On the other hand, the unique large aperture ultrasonic system (LAUS) provides great depth penetration (up to nearly 10 m) and can thus be applied at in situ sealing structures built as a test site in Morsleben by the Federal Company for Radioactive Waste Disposal (Bundesgesellschaft für Endlagerung, BGE) as shown by Effner et al. (2021). An optimised field lay-out identified from forward modelling studies and advanced imaging techniques applied to the measured data will further improve the obtained results. To characterise the inside of the test engineered barrier and achieve a proof-of-concept, an ultrasonic borehole probe is developed to enable phased arrays that can further improve the detection of potential cracks. Modelling results and first analysis of semispherical specimens confirmed the reliability of the directional response caused by the phased arrays of the newly constructed ultrasonic borehole probe.
Overall, the project SealWasteSafe improves the construction material, multisensor monitoring concepts and ultrasonics for quality assurance. This will help to develop safe sealing structures for nuclear waste disposal. The outcomes are particularly valuable for salt as a host rock but partly also transferrable to alternative conditions.
In den letzten Jahren werden vermehrt trocken ankoppelbare Ultraschall-Punktkontaktprüfköpfe erfolgreich für Prüfaufgaben im Bauwesen angewendet. Oft werden mehrere Punktkontaktprüfköpfe in einem Gehäuse zu einer Strahlergruppe kombiniert, um die Schallbündelung zu verbessern oder um einzelne Prüfköpfe nacheinander als Sender und Empfänger zu betreiben und die Messsignale nach der Messung einer SAFT-Auswertung zuzuführen. Alternativ können die einzelnen Prüfköpfe einer solchen Gruppe laufzeitgesteuert angeregt und dadurch schon während der Messung das Prüfkopfschallfeld beeinflusst werden. Für diese Technik sind die Bezeichnungen laufzeitgesteuerte Ultraschall-Gruppenstrahler oder 'Phased Array' gebräuchlich. Mit den präsentierten Untersuchungen sollen die Anwendungsmöglichkeiten der Gruppenstrahlertechnik im Niederfrequenzbereich durch den Einsatz von Punktkontaktprüfköpfen verbessert werden. Dazu werden verschiedene Wellenarten eingesetzt und der Einfluss der Anordnung der Strahlerelemente im Array untersucht.