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Das Sorptionsverhalten und die Frost-Tau-Beständigkeit von Baustoffen hängen maßgeblich von ihrer Porengrößenverteilung ab. Ein zerstörungsfreies, räumlich visualisierendes Messverfahren, das diese
abschätzen könnte, wäre für die Bau- und Sanierungsindustrie sehr hilfreich. Scott und Barker (2003) berichteten über einen deutlichen Zusammenhang zwischen dominanter Porenhalsgröße und der SIP-Relaxationszeit an Sandsteinen. Diese Korrelation wird seit einiger Zeit für Baustoffe, insbesondere Sandsteine, an der BAM untersucht.
Ultraschall-Echo-Messungen dienen im Bauwesen zur Dickenbestimmung von Bauteilen sowie der Lokalisierung und Charakterisierung von Einbauteilen, Einlagerungen und anderen Inhomogenitäten. Zur Rekonstruktion werden bisher Abbildungsverfahren wie z.B. 3D-SAFT genutzt. Diese setzen aber voraus, dass direkte Reflexionen am Abbildungsobjekt erfolgen. Deshalb können keine zuverlässigen Aussagen über den Durchmesser von eingebauten Spannkanälen oder z. B. Seitenkanten von Objekten getroffen werden.
Ziel laufender Forschungsarbeiten ist es, die Abbildungsqualität zu verbessern.
Mit der aus der Geophysik stammenden Reverse Time Migration, die bereits häufig in der Erdölexploration genutzt wird, lassen sich auch steilere Strukturen über 70° abbilden und somit auch die Unterseite von Einbauten oder Stufen in Bauteilen darstellen.
Um die Leistungsfähigkeit des Algorithmus für die zerstörungsfreie Prüfung zu untersuchen, wurden verschiedene Simulationsrechnungen durchgeführt. Dabei wurden typische Prüfprobleme unterschiedlicher Komplexität zunächst in Polyamid nachgestellt. Die Schwerpunkte lagen bei der Darstellung senkrechter Grenzflächen und Hohlstellen. Die Rechnungen dienten neben der Evaluierung und Optimierung des Verfahrens auch der Planung von Experimenten an Probekörpern mit verschiedenen Einbauten.
Die Simulationsergebnisse wurden an einem dem synthetischen Modell entsprechenden Polyamidprobekörper überprüft, an dem rauscharme Ultraschalldaten aufgenommen werden konnten. In einer Messreihe wurde in den Probekörper eine Bohrung eingebracht und schrittweise vergrößert. Mit diesen Messungen konnte die Leistungsfähigkeit der Reverse Time Migration auch an realen Ultraschalldaten nachgewiesen werden. Untersuchungen mit an Beton aufgenommenen Ultraschalldaten werden folgen.
The capabilities of non-destructive testing (NDT) methods for defect detection in civil engineering are characterized by their different penetration depth, resolution and sensitivity to material properties. Therefore, in many cases multi-sensor NDT has to be performed, producing large data sets that require an efficient data evaluation framework. In this work an image fusion methodology is proposed based on unsupervised clustering methods. Their performance is evaluated on ground penetrating radar and infrared thermography data from laboratory concrete specimens with different simulated near-surface defects. It is shown that clustering could effectively partition the data for further feature level-based data fusion by improving the detectability of defects simulating delamination, voids and localized water. A comparison with supervised symbol level fusion shows that clustering-based fusion outperforms this, especially in situations with very limited knowledge about the material properties and depths of the defects. Additionally, clustering is successfully applied in a case study where a multi-sensor NDT data set was automatically collected by a self-navigating mobile robot system.
Time reversal techniques are used in ocean acoustics, medical imaging and non-destructive evaluation to backpropagate recorded signals to the source of origin. We demonstrate experimentally a technique which improves the temporal focus achieved at the source location. The experiment consists of propagating a signal from a transducer within a concrete block to a single receiver on the surface, and then applying time reversal or deconvolution to focus the energy back at the source location. The results show that we are able to generate a focus in time at the correct location. The proposed method is simple and proven to be robust. Additionally, its costs are negligible due to deconvolution being a preprocessing step to the recorded data. The technique can be applied for detailed investigation of the source mechanisms (e. g. cracks) but also for monitoring purposes.
Ultraschallverfahren haben sich im Bauwesen in den letzten Jahren immer mehr in der Praxis etabliert. Echomessungen zur Geometriebestimmung sind Stand der Technik. In der Wissenschaft gibt es zahlreiche Ideen, die Messmethodik und die Auswertung weiter zu verbessern sowie den Einsatzbereich zu erweitern. Erste eingebettete Ultraschallsysteme zum Langzeitmonitoring sind installiert, Mehrkanalgeräte ermöglichen immer größere Aperturen und Eindringtiefen, verbesserte Abbildungsverfahren zeigen immer mehr Details. Zusätzlich lassen sich Verfahren aus der Geophysik adaptieren, die weiteren Fortschritt versprechen. Die Seismische Interferometrie dient klassisch dazu, Materialeigenschaften des Erduntergrundes mittels seismischer Wellen zu bestimmen. Derzeitige Anwendungsbereiche sind die Verbesserung seismischer Abbildungsverfahren, Interpolation seismischer Spuren (A-Scans), Bestimmung von Quellparametern oder die Eliminierung unerwünschter Signale in passiven und aktiven Experimenten, hauptsächlich durch Kreuzkorrelation und Bestimmung Greenscher Funktionen. Diese Techniken können auch auf Ultraschalldaten, die an Betonkonstruktionen erfasst wurden, angewendet werden. Moderne Abbildungsverfahren benötigen eine möglichst hohe A-Scan-Dichte und eine genaue Kenntnis des Quellsignals. Beides ist nicht unbedingt gegeben, z. B. wegen der physischen Größe der Sensoren und wechselnder Ankopplungsbedingungen. In simulierten und realen Experimenten wurden interferometrische Methoden zur Lösung dieser Aufgabenstellungen evaluiert. Es zeigt sich, dass fehlende A-Scans kinematisch korrekt interpoliert werden können, wenn ausreichend viele Sender- und Empfängerpositionen genutzt wurden. Amplituden und Signalform sind verändert, können aber durch adaptive Filterung angepasst werden. Die Quellsignalform kann mit hoher Genauigkeit rekonstruiert werden. Die Ergebnisse können potentiell zu einer Verbesserung der Abbildung des Inneren der untersuchten Objekte genutzt werden.
Seismische Methoden, die mithilfe elastischer Wellen Informationen über den Untergrund liefern, spielen in der Baugrunderkundung eine immer größere Rolle. Die einschlägigen Regelwerke weisen zwar auf diese Methoden hin, geben aber keine näheren Hinweise zu Methodenauswahl oder Einsatzbereichen. Das neue Merkblatt B08 'Seismische Baugrunderkundung', das seit Kurzem bei der DGZfP (Deutsche Gesellschaft für Zerstörungsfreie Prüfung) online und gedruckt auf Deutsch und Englisch erhältlich ist, will diese Lücke schließen. Die Grundlagen der Seismik werden kurz und knapp beschrieben, ebenso wie die zahlreichen Einzelmethoden mit ihren Anwendungsmöglichkeiten und Grenzen. Dabei wird sowohl auf Anwendungen von der Erdoberfläche aus wie auch auf Bohrlochmethoden und Offshore-Techniken eingegangen. Eine Applikationsmatrix hilft bei der Methodenauswahl. Hinweise zu Ausschreibungen fehlen ebenso wenig wie Maßnahmen zur Qualitätssicherung. Das Merkblatt richtet sich an alle, die seismische Messungen zur Baugrunderkundung ausschreiben oder anbieten bzw. mit den Ergebnissen arbeiten.---------------------------------------------------------------------------Information on methods, applications, contracting and quality assurance: Seismic methods, which are acquiring information about the subsurface using elastic waves, are more and more used in site investigation. These techniques and their fields of application are mentioned in standards and regulations but not described or explained in detail. The new guideline B08 'Site Investigation by Seismic methods' has been published by DGZFP (German Society for Non-Destructive Testing) recently and is available in print and online in German and English. Basic concepts of seismic exploration are described shortly as well as the numerous techniques including fields of application and limitations. This includes surface, borehole and offshore methods. Hints on fields of application are given in a matrix like structure. Comments on tendering and bidding are included as well as measures for quality assurance. This guideline is for all, who need or offer geophysical services.
Utilization of coherent phase information in complex wave fields forms the basis of interferometric time series analysis. The concept is known since decades, but until about 15 years ago there have been no practical implementations. Meanwhile seismic interferometry is used in a wide range from investigations of the earth’s deep crust to engineering applications. Focused on monitoring and imaging the MIIC (Monitoring and Imaging based on Interferometric Concepts) project as part of the German GeoTechnologien program has contributed to this development. Special attention was given to the transfer of methodology to different length scales that range from centimeters, in laboratory applications, over geotechnical scales to even kilometers in seismological applications. General purpose methods and open source software was developed, which can be used on all scales. The core of the MIIC software is a Python library organized in different modules for various processing tasks. A graphical user interface facilitates the creation of processing routines by visualizing connections and dependencies of variables and by checking the consistency of data types. Example applications have included carbon sequestration, salt mine and railroad embankment monitoring as well as imaging changes in concrete constructions.
Crosshole sonic logging (CSL) can be used to determine the quality of joints in a diaphragm wall. Tests conducted on laboratory models have provided reference information for interpretation of field data. During two large construction projects, CSL has been implemented for quality control of diaphragm walls. The field experiences have shown the benefits of the tests and the predictive value of the reference measurements.
Diaphragm walls are used to provide a stable and water-tight confinement for the construction of tunnels, underground railway stations, deep basements and other structures requiring deep excavations. These walls consist of individual panels, cast piece-wise in the ground, separated by water-tight joints. There are several methods to improve the water tightness of these joints, including rubber bands, metal sheets or precast concrete elements. In most cases, diaphragm walls perform very well. Quality problems, which occur in a few occasions, may be due to uncontrolled concrete flow between the joints, unexpected geological conditions or poor workmanship. Different methods of quality assurance are applied on construction sites. Sonar instruments can be used in a bentonite-filled trench to evaluate the shape of the excavation. An improved prototype instrument has been developed, including digital data-processing features, which allow the detection of even small anomalies at the stop-end surface before concreting the adjacent panel. The sonar sensor can be used in depths up to 200 m. Model experiments show that a centimetre resolution can be achieved. Set-up, model experiments and their results are shown. The prototype might be the basis of an easy-to-use commercial device.
BAW and BAM have performed a large scale comparison and calibration test on static and dynamic load capacity evaluation of bored piles in glacial sandy soil. The test was performed using eight piles at the BAM test site for technical safety at Horstwalde 50 km south of Berlin. The test area has been prepared and investigated in great detail using boreholes, cone penetration tests, pore pressure sensors and geophysical methods to assure controlled conditions for all piles and tests. The piles (10 m length, 0.9 m diameter) are mainly friction piles (low toe resistance) and have been checked by integrity testing. Five piles have been tested by five contractors using the dynamic method in a blind experiment, the other ones piles by static load and/or later on by the dynamic method. Some piles have been equipped with additional fibre optic Instrumentation which proved to be robust and helpful in interpreting the results of static, dynamic and integrity tests. We have experienced a deviation of the dynamic load test results gathered in the blind experiment from the static values of up to 20% in most cases, sometimes even up to 30%. This can be related to the known soil inhomogeneities, interpretation and modelling in CAPWAP and method inherent uncertainties. In cases where the static values were known by the testers for calibration, the deviations were significantly smaller. It has to be taken into account, that the two static load tests showed different results as well. Due to the low toe resistance, use of a big drop weight (11 tons) and large drop heights most piles suffered from cracking, which was clearly seen in follow up integrity tests and confirmed by excavation. The piles are available for further research.
Das Ultraschall-Echo-Verfahren ist ein klassisches Verfahren in der zerstörungsfreien Prüfung zur Bestimmung der Geometrie von Bauteilen. Die Prüfaufgaben beinhalten unter anderem die korrekte Dickenbestimmung der Baukörper sowie die Lokalisierung von Einbauteilen und Fehlstellen. Stand der Technik bei den Abbildungsverfahren ist die SAFT–Rekonstruktion (Synthetic Aperture Focusing Technique). Diese Verfahrensfamilie hat Schwierigkeiten bei der Darstellung von steilen Grenzflächen und komplizierten Strukturen, wie beispielsweise Stufen oder Unterkanten von Hohlräumen und Hüllrohren. Als Alternative werden seit einiger Zeit geophysikalische Migrationsmethoden evaluiert. Am Beispiel eines Stahlbetonfundamentes mit verschiedenen Bewehrungsgehalten, unterschiedlichen Dicken sowie zwei Pfahlköpfen wurden die Kirchhoff-Migration und die Reverse-Time Migration (RTM) getestet. Die strahlenbasierte Kirchhoff-Migration arbeitet ähnlich wie die SAFT-Rekonstruktion. Die RTM basiert auf der vollständigen Wellengleichung.
In einem ersten Schritt wurden die Methoden an einem synthetischen, auf der akustischen Wellengleichung basierenden zweidimensionalem Modell getestet. Im zweiten Schritt wurden reale Messdaten, die mit Scherwellenprüfköpfen an der Fundamentplatte aufgenommen wurden, bearbeitet. Der Einsatz eines Scannersystems vereinfachte die Messungen. Die Experimente, die in diesem Manuskript vorgestellt werden, sind von bedeutendem Interesse für die Evaluierung geophysikalischer Migrationsmethoden an analogen Modellen.
Ein Vergleich der Migrationsergebnisse mit den bisherigen SAFT-Ergebnissen zeigt insbesondere für die RTM eine deutliche Verbesserung in der Abbildung der Bauteilgeometrie. Vertikale Kanten konnten dargestellt sowie die Lage und Struktur der Rückwände exakter reproduziert werden. Grenzen bestehen noch bei der Darstellung der Pfahlköpfe, da die von dem zylinderförmigen Pfahl kommenden Signale verrauscht sind. Ursachen dafür sind u.a. die Bewehrung, Randeffekte sowie Mehrfachreflexionen an dem Pfahlschaft.
Diaphragm walls are used to provide a stable and watertight confinement for the construction of tunnels, Underground railway stations, deep basements and other structures requiring deep excavations. Water seepage and soil loss through the joints have occurred on several occasions, causing extensive damage. This may have been due to uncontrolled concrete flow between the joints, unexpected geologic conditions or just poor workmanship.
Different ways of quality assurance are applied on construction sites. Most of them rely on recording Parameters of the construction equipment and conventional concrete quality control. In the frame of the EUREKA/ZIM project DiWaQ we have looked at several ways to perform non-destructive Quality control. Some methods are to be applied after excavation before concreting (phase 1); others after the wall is completed (phase 2).
For phase 1 we have used two different principles for checking the shape of the excavation, especially the joint to existing panels. A mechanical device which can be adapted to the excavating Equipment was developed; field tested and validated on test and construction sites. It is described in detail in another paper in the same volume. A sonar-based device with a 10 mm resolution has shown good performance in the lab, but is still under development.
For phase 2 different temperature sensors have been lowered into access holes to monitor the hydration heat developed during concrete curing. The same tubes can also be used to perform electromagnetic and ultrasonic crosshole measurements across or along joints to detect flaws.
Especially the ultrasonic method has shown promising results on Validation specimen at the BAM test site at Horstwalde, but limitations as well. Success substantially depended on the joint type, flaw size and distance of the sensors to the joint.
Implementation of soilcrete columns via jet grouting or deep soil mixing to stabilize problematic subsurface soils is common in underground construction. However, industry is faced with limited options to characterize column geometry and quality of the resulting soilcrete without excavation or destructive testing. Laboratory-scale experiments were conducted on simulated soilcrete columns using crosshole ultrasonic testing to evaluate the feasibility of acoustic tomography to characterize soilcrete geometry and quality. Data were acquired on multiple columns immediately after placement up to a curing time of 120 hours. Jet grout compressional wave velocity (VP) was estimated using a first arrival time approach and inverted to construct acoustic tomograms. Acoustic tomograms indicate that crosshole ultrasonic testing is able to characterize the changes in acoustic properties that result from jet-grout curing, locate contrasts between weaker/stronger regions in the jet grout, and estimate geometry of the column.
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.
At BAM a multi-sensor robot system BetoScan is used for the investigation of reinforced concrete floors affected by corrosion in parking garages.
Potential maps, as well as the distribution of concrete cover and moisture can be assessed simultaneously and data can be collected contactlessly. In order to evaluate the extent of degradation adequately and to divide the investigated structure into zones with defined damage classes, large data sets have to be collected and interpreted manually. Thus, to promote an efficient data evaluation framework, which could speed up and simplify the evaluation of large data sets, an unsupervised data fusion is of major interest. However, taking into account that collected data do not certainly coincide in space, a scattered data interpolation method should be applied prior data fusion.
In the paper, a case study involving a BetoScan data set acquired from a reinforced concrete floor of a parking garage in Germany is presented. The data set includes potential mapping, covermeter based on eddy current, as well as microwave moisture measurements. Among the examined methods for interpolation of scattered data, kriging shows to yield smooth interpolated data plots even in the case of very sparse data. In the post-processing step, the investigated structure is efficiently segmented into zones using clustering based data fusion methods, which prove to be robust enough also for handling noisy data. Based on the minimization of the XB validity index, an unsupervised selection of optimal segmentation into damage classes is derived.
Coda Wave Interferometry (CWI), a method to evaluate subtle changes of elastic wave velocity in a medium, has been proven to be effective to detect small changes or ultrasonic velocity in concrete caused by load, temperature, moisture, damage or other means. While classical CWI is just able to determine velocity changes globally in relatively large areas between and around pairs of transmitters and receivers, several approaches have been proposed to identify the area affected by the changes more precisely. Most of them are based on the calculation of sensitivity kernels for de-correlation of signals measured at a specific state against a reference. Others follow simplified approaches. In a laboratory setup a concrete specimen of 1:5 x 1:5 x 0:5 m3 was compressed at a certain point. Maximum loads of 20 to 100 kN have been applied in 5 to 10 kN steps in various cycles. The specimen is equipped with 18 embedded ultrasonic broadband piezo transceivers (60 kHz central frequency). Ten of these receivers have been connected to a multiplexer and ultrasonic transmitting and receiving equipment in a way that allowed almost continuous two way measurements between all sensor pairs. Even simple ways to evaluate the data (e.g. crosscorrelation between signals at different load states) allowed pinpointing the load center at least approximately. A more detailed data evaluation either using CWI or even more one of the more sophisticated localization algorithms gave “sharper” results in terms of localization and a better correlation between load and velocity change/de-correlation. The results are used in upcoming monitoring systems for concrete structures.