Filtern
Erscheinungsjahr
- 2017 (17) (entfernen)
Dokumenttyp
- Vortrag (6)
- Zeitschriftenartikel (5)
- Beitrag zu einem Tagungsband (4)
- Sonstiges (1)
- Posterpräsentation (1)
Schlagworte
- Structural health monitoring (7)
- Concrete (5)
- RFID sensors (5)
- Sensors in concrete (5)
- Smart structures (5)
- Embedded sensors (3)
- Estrich (3)
- Moisture measurements (3)
- Passive RFID (3)
- Sensor requirements (3)
Eingeladener Vortrag
- nein (6)
Embedded wireless sensor systems for long-term SHM and corrosion detection in concrete components
(2017)
State-of-the-art communication standards like RFID and Bluetooth Low Energy enable the development of sensor systems which can be completely embedded into concrete components for long-term SHM and early damage detection. Objective of the project KonSens which is carried out at BAM is the development, implementation, and validation of sensors for measuring of Parameters relevant for corrosion, like moisture, pH value, and electrical conductivity, inside steel reinforced concrete components. The primarily addressed application is detection and evaluation of corrosion processes in concrete bridges.
In contrast to cable connected sensors, embedded wireless sensors avoid any pathways for intrusion of moisture and chemicals, e.g., chlorides which could trigger corrosion activity. To allow for long-term, ideally life-time operation, the once embedded sensor systems must work highly energy efficient. One option are passive RFID sensor systems, which work without battery. The energy is transmitted to the system through the electromagnetic field, even to operate sensors. A crucial parameter is the transmission depth in concrete. First experiments with RFID sensors working at frequencies of 13.56 MHz (HF) and 868 MHz (UHF) embedded in concrete specimen resulted positive for transmission depths of up to 13 cm, which is quite promising, considering that corrosion would appear first at the top level of rebars.
A second generation of passive RFID sensor systems has been implemented with improved antenna design. Current experiments using these systems focus on the Transmission characteristics in terms of transmission depths and the impact of concrete moisture. Low-energy humidity sensors are used and analysed regarding their capability for measuring the material moisture. Additionally, a relation between transmitted power to the embedded sensor and the moisture content of the concrete specimen caused by energy absorption can be presumed and is under systematic investigation.
Damages in infrastructure due to moisture amount to billions of Euros every year. For a more predictive structural health monitoring in civil engineering, the detection and monitoring of hazardous moisture in steel reinforced concrete constructions is of high interest. The sensors have to be wireless, elsewise they weaken the concrete cover of the rebars. The lifetime of such constructions is normally decades, thus the sensors have to be battery-free and fully passive. Considering these requirements, passive RFID-based sensors are developed. Communication and energy supply are realized wireless via the electromagnetic field of a RFID transmitter. The passive RFIDbased sensors are embedded into the concrete to enable the monitoring of moisture transport in porous materials. Results of the hydration process are shown.
Structural Health Monitoring (SHM) is an important part of buildings surveillance and maintenance to detect material failure as early as possible and to contribute in protection of structures and their users.
The implementation of Radio Frequency Identification (RFID) sensor systems without cable connection and battery into building components offers innovative possibilities to enable long-term in-situ SHM of addressed structures, bridges. The objectives of the presented study are complete embedding of RFID sensors systems in concrete, full passive communication with the systems, at best for the whole life span of structures. One challenge for this task is the highly alkaline environment in concrete, which requires non-degrading and robust encapsulation. Further Requirements are passive communication and energy supply, appropriate antenna design, placement and fixation in concrete, and the selection and implementation of sensors and connections. The concept is to develop and optimize a simple and robust system, which meets the requirements, as well as comprehensive validation in concrete specimen and real world applications. Two different systems were developed (HF and UHF RFID, respectively).
First tasks were the implementation of analog sensors using the superposition principle for the signal adaption. Investigation of suitable materials for robust encapsulation and sensor protection against basic environments.
Four materials were investigated in pH13 solution for 14 days - 3D-Printer-Polymer was completely resolved - PVC has no noticeable decrease in weight - (VitaPro) glass filter for the sensor protector, has weight loss 2.7% - The epoxy resin has increased by 1.8% due to moisture expansion Different concrete samples were prepared for the validation of the systems. RFID sensors were embedded in different integration depths. Investigate the energy- and data transfer through concrete, also with varying moisture content. Additionally, signal strength data was used to optimize and validate the antenna characteristics in concrete. Next steps are to guarantee a sufficient energy supply for UHF RFID systems embedded in different concrete mixtures and further embedding the HF and UHF RFID systems in real bridges and buildings to validate the long term monitoring.
Die Ermittlung der Belegreife von Fußbodenestrichen ist im Bauwesen von hoher Bedeutung,
da es bei dem Verlegen von Parkett oder anderen Bodenbelägen auf Estrichen zu erheblichen
feuchtigkeitsbedingten Schäden kommen kann, wenn diese noch nicht hinreichend
getrocknet sind. Für die Messung des Feuchtegehalts wird üblicherweise auf zerstörende
Methoden wie das Darr- und CM-Verfahren zurückgegriffen, die Probennahmen erfordern
und nur punktuelle Informationen liefern.
Ziel dieser Forschungsstudie ist die Untersuchung der Eignung und Anwendbarkeit des
Georadars und der Kernspinresonanz (NMR) zur zerstörungsfreien und flächendeckenden
Feuchtemessung von Estrichen. Dazu wurden Messungen mit beiden Verfahren an einer
Gruppe zementgebundener (CT) und einer Gruppe anhydritgebundener (CA) Estriche
während ihres Austrocknungsprozesses bei einem Konstant-Klima durchgeführt. Bei dem
Radarverfahren werden Amplitude und Laufzeit elektromagnetischer Reflexionen, die durch den Wassergehalt beeinflusst werden, gemessen. Die Radarmessungen erfolgten auf jeder
Probe entlang von zwei senkrechten Profilen mit einer 2GHz-Antenne. Die Kernspinresonanz
steht aufgrund ihrer Abhängigkeit zur magnetischen Kernresonanz der 1H-Wasserstoffatomen
in Relation mit dem Wassergehalt in dem Messvolumen der zu untersuchenden
Probe. Die Untersuchungen erfolgten mit dem NMR MOUSE System in Aufsatztechnik.
Dabei liegt die Eindringtiefe bei 24,8 mm.
Bei den Untersuchungen lässt sich für CT-Estriche ein starker vertikaler Feuchtegradient
feststellen. Die CA-Estriche weisen hingegen nur einen schwachen Feuchtegradienten bis
nahezu konstante Amplituden über die gesamte Tiefe auf. Nach Erreichen einer Amplitude
von ca. 5-8 lässt sich keine weitere Amplitudenveränderung registrieren bzw. sind ab diesen
Zeitpunkt die Änderungen im Wassergehalt zu gering, um von der NMR aufgelöst zu werden.
In den Ergebnissen des Radarverfahrens lässt sich ebenfalls ein von dem Feuchtegehalt
abhängiges Verhalten der Messparameter beobachten. Mit zunehmender Trocknung kann
man eine Abnahme der Laufzeit zwischen direkter und an der Rückwand reflektierter Welle
messen. Die Amplituden beider Wellen hingegen nehmen während des Austrocknungsprozesses
zu. Im Gegensatz zur NMR erhält man keine tiefenbezogenen Informationen.
Es lassen sich aber Rückschlüsse auf den Feuchtegehalt im Gesamtvolumen ziehen.
Die Bestimmung der Belegreife von Estrichen erfolgt im Bauwesen meist unter Verwendung von zerstörenden Verfahren, die Probenentnahmen erfordern und nur punktuelle Daten liefern. Bei anhydritgebundenen Estrichen gelten 0,5 M% und bei zementgebundenen ca. 3,5 M% und höher als belegreifer Feuchtegehalt. Die Belegreife wird als Feuchtegehalt in Masseprozent (M%) bezogen auf die Trockenmasse des Baustoffes angegeben. Zur zerstörungsfreien Feuchtemessung existieren verschiedene einfach zu bedienende Handgeräte, die u. a. auf elektrischen, elektromagnetischen und kapazitiven Methoden beruhen. In dieser Arbeit wurden ein kapazitives (Kugelsonde), ein elektromagnetisches (Mikrowellensensoren) und ein elektrisches Messverfahren (Vierelektroden-Sonde) untersucht. Mit Ausnahme der Vierelektroden-Sonde weisen die Handgeräte keine ausreichende Sensitivität in Bereichen niedriger Feuchtegehalte unterhalb von 1 M% auf und scheinen somit nicht für anhydritgebundene Estriche geeignet zu sein. Für zementgebundene Estriche lassen sich hingegen mit allen getesteten Geräten Änderungen in dem Bereich der Belegreife erfassen. In dieser Arbeit wird zusätzlich die Wasserabgabe in g/m²/Tag als Bezugsgröße herangezogen. Die Wasserabgabe stellt ein geeigneteres Maß für die Schadensträchtigkeit dar und ermöglicht direkte Vergleiche unabhängig von der verwendeten Estrichart. Für alle getesteten Estriche konnte eine Wasserabgabe von ca. 8-10 g/m²/Tag als Belegreifegrenzwert bestimmt werden.
Structural Health Monitoring (SHM) is an important topic for Industry 4.0. More and more systems are embedded in different materials and are connected to each other. To embed sensors for a long time in concrete, an exact preparation is required. In this paper, we identify Radio-Frequency Identification (RFID) as promising technology for monitoring of concrete structures. This paper present the concept for long term monitoring, defines the requirements and shows first development steps, for example, the system design, the possibilities of sensor connection, and an encapsulation for embedding in concrete.
This paper is a further research on the topic of the complete embedding of radio frequency identification (RFID) sensors in concrete. The focus is on the antenna of the transponder. Earlier investigations of different RFID technologies, embedded in concrete, showed a difference in energy transmission. The transmission through concrete at ultra high frequency (UHF), in spite of the large signal range, does not match the targeted application specific task. Therefore, the antenna characteristics have been examined more closely. The antenna is an important component for the application of RFID. Through the antenna, energy and data transfer takes place, so it is important to design an optimal antenna to accomplish a maximum embedding depths in concrete. To identify the optimal antenna geometry, different UHF antenna types were selected and investigated. An experimental comparison was performed to gain more information about the damping behavior and antenna characteristics in concrete.
Moisture testing and mapping
(2017)
Eight different screed types are tested including two different sample heights of 35 and 70 mm. The moisture of the four cement based and four sulphate based screeds are monitored during hydration and evaporation. All samples are stored in a climatic chamber at 23° C and 50 % relative humidity. Embedded sensors like temperature arrays, humidity sensor arrays, and multi-ring electrodes are embedded in the samples to yield a detailed moisture evolution with high depth resolution. Furthermore, nuclear magnetic resonance is used to quantify the water content at different depths. This multi-sensor approach allows a comprehensive monitoring of the moisture and its gradient in the different screed samples. This yields a deeper insight into the hydration, moisture convection, and diffusion processes.