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Mit Radar, Impact-Echo und Ultraschallecho wurden 2004/2005 zwei Spannbetonbrücken der stark befahrenen A 23 Südosttangente in Wien zerstörungsfrei untersucht. Bei den Bauwerken handelt es sich um Hohlkastenbrücken, die 1975/76 unter Verwendung unterschiedlicher Spannsysteme errichtet wurden. Durch Messungen mit den zerstörungsfreien Prüfverfahren an den Außenseiten zweier Hohlkastenstege wurde sowohl die schlaffe Bewehrung als auch Längsspannglieder in den Stegen geortet. Darüber hinaus sollte der Verpresszustand der Spannglieder mit Hilfe der akustischen Verfahren Impact-Echo und Ultraschallecho ermittelt werden.
Zusammenfassung
Durch die Entwicklung verschiedener Longitudinal- und Transversalwellenprüfköpfe, der variierenden Prüfkopfanordnung und -anzahl in Arrays sowie der verwendeten Erregerfrequenzen stehen derzeit mehrere Ultraschall-Verfahren für Untersuchungen an Betonbauteilen im Echobetrieb zur Verfügung. Darüber hinaus können verschiedene Verfahren für die Auswertung der Messergebnisse, u. a. SAFT-Rekonstruktionsberech-nungen (Synthetic Aperture Focusing Technique), genutzt werden.
Um die Leistungsfähigkeit der Verfahren spezifizieren und auch vergleichen zu können, sind geeignete Kenngrößen erforderlich.
Zu diesem Zweck wurden vorerst drei Kenngröße - das Signal/Rausch-Verhältnis s, die Laterale Auflösung D x und die Gleichmäßigkeit der Abbildung g - definiert und auf Untersuchungsergebnisse zu einem bekannten Prüfobjekt angewendet. Dabei handelt es sich um eine Bohrung in einem Betontestkörper aus Normalbeton B 35, die parallel zur Messfläche eingebracht wurde.
In diesem Beitrag werden die Definitionen und die am Beispiel der Bohrung ermittelten Kenngrößen vorgestellt. Es soll gezeigt werden, dass anhand der vorgestellten Definitionen die Kenngrößen für jedes Verfahren prinzipiell ermittelt werden können. Eine Beurteilung der Werte kann derzeit noch nicht erfolgen. Dazu müssen sich Untersuchungen an weiteren bekannten Objekten anschließen, u. a. auch an gezielt konzipierten Testkörpern, an denen die Einflüsse ausgewählter Objekteigenschaften auf die verfahrensabhängigen Kenngrößen untersucht werden sollen.
Since several years ultrasonic imaging techniques are used for testing concrete elements. Combined with a reconstruction calculation they lead to an acoustic imaging of scatterers and reflectors from the inside of the concrete element. For several testing problems it is an advantage to use a two dimensional synthetic aperture and to combine it with a three-dimensional reconstruction calculation (3D-SAFT, Synthetic Aperture Focussing Technique).
This enables the analysis of the tested volume by means of B-scans in two directions and C-scans (projections parallel to the surface), respectively. Using the 2D-scanning technique, especially the disturbing influence of the reinforcing rebars can be minimised.
In this contribution the state of the art of this method is demonstrated and analysed. Examples of the application are presented, concerning
Localisation of honeycombing and compaction faults
Characterisation of cracks (especially measuring the crack depth)
Investigation of tendon ducts
The results presented are obtained in the frame of a research initiative Non-destructive Evaluation of Concrete Structures Using Acoustic and Electromagnetic Echo-Methods supported by the German Science Council (FOR 384 of DFG, Deutsche Forschungsgemeinschaft). The methods are assessed and improved in cooperation with the partners participating in the project.
Für die Strukturaufklärung von Betonbauteilen existieren mehrere bildgebende Ultraschallecho-Verfahren, u. a. mit Nutzung des Prinzips der synthetischen Apertur. Die Ergebnisse werden mit unterschiedlichen Verfahren, mit oder ohne Anwendung von Rekonstruktionsrechnungen, ausgewertet und in der Regel als B- bzw. C-Bilder dargestellt.
Ziel ist es, die unterschiedlichen Verfahren anhand von Messreihen an Testkörpern mit bekannten Prüfobjekten in Hinblick auf Ihre Leistungsfähigkeit quantitativ zu fassen und zu vergleichen, um den Einsatz der Prüfverfahren bei Untersuchungen unbekannter Objekte zu optimieren. Dazu wurden drei Kenngrößen definiert. Als erster Schritt erfolgte die Anwendung der Definitionen auf vorliegende Messergebnisse zu einer in einem 50 cm dicken Betontestkörper parallel zur Messfläche eingebrachten Bohrung.
Non-destructive Testing of a Post tensioned Concrete Bridge Applying an Automated Measuring System
(2004)
Ultrasonic investigation is an established non-destructive testing method for detection of defects and material characterisation. In the last years scanning ultrasonic echo methods were developed especially for the application in civil engineering.
The different scanning ultrasonic echo methods are modified with respect to the type of the transducer applied, the number and the arrangement of transducers and the frequency used. Also different algorithms are used to analyse the measured data, for instance SAFT (Synthetic Aperture Focusing Technique) reconstruction. The results are typically presented as B- and C-scans, obtained from raw data or the SAFT reconstructed data.
Since 2001 several German research institutes co-operate within the scope of the research initiative Non-destructive Evaluation of Concrete Structures Using Acoustic and Electromagnetic Echo-Methods (FOR 384) supported by the Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG). One of the tasks is to investigate these ultrasonic echo methods for special applications like the detection of cavities in concrete structures or faults in tendon ducts.
Concrete test specimens with intentional faults have been manufactured and investigated. Parameters were defined to assess the results more objectively. Currently three parameters -signal/noise-ratio, lateral edge resolution and uniformity- are considered. For the first time results of different working groups on the same imaged objects are compared quantitatively. It should help to get more knowledge about the ultrasonic inspection of typical faults in civil engineering structures.
Ultrasonic Reflection Properties at Interfaces Between Concrete Steel and Air: Imaging and Modelling
(2006)
Automated NDE of post-tensioned concrete bridges using radar, ultrasonic echo and impact-echo
(2006)
Assessment of post tensioned concrete bridges applying automated non-destructive testing systems
(2005)
Zusammenfassung:
Die zerstörungsfreie Untersuchung von Spannbetonbauwerken mit Radar, Impact-Echo und Ultraschallecho konzentriert sich auf die Ortung von Bewehrung und, wegen der damit verbundenen Korrosionsgefahr, auf
die Lokalisierung von Verpressfehlern in Spannkanälen. Für die automatisierte Untersuchung großer Flächen wurden in der BAM Bundesanstalt für Materialforschung und prüfung Scannersysteme entwickelt und an mehreren Brückenbauwerken erprobt. Die Messdaten der drei angewendeten Verfahren werden eingehend bearbeitet und miteinander kombiniert. Durch die Kombination der Verfahren kann sowohl die schlaffe Bewehrung als auch Spannbewehrung geortet und können Hinweise auf Verpressfehler gegeben werden.
Assessment of post tensioned box girder bridges applying automated non-destructive testing methods
(2006)
Results of reconstructed and fused NDT-data measured in the laboratory and on-site at bridges
(2006)
Non-destructive testing (NDT) of concrete structures plays an increasing role in civil engineering. This paper presents the results of measurements carried out in the laboratory at BAM and on-site at several bridges using reconstructed and fused radar and ultrasonic echo data sets. In this context different scanning systems, developed for the on-site application of NDT-methods (e.g. reinforced concrete bridges) are introduced. The main object was the demonstration of the improved effectiveness of radar and ultrasonic pulse echo technique due to the automated measurements and the application of new software for the data processing and data visualisation. The results of these measurements show the high potential of reconstruction and data fusion for the improvement and simplification of the interpretability of large data sets measured with impulse-echo methods.
Die Bauwerke der Bundesfernstraßen (Brücken, Tunnel, Lärmschutzwände) sind gemäß DIN 1076 regelmäßig zu überprüfen. Bei der alle sechs Jahre stattfindenden Hauptprüfung sind diese Bauwerke handnah zu untersuchen und die Schäden nach Standsicherheit, Verkehrssicherheit und Dauerhaftigkeit zu bewerten.
Allerdings lassen sich versteckte Schäden beziehungsweise Ursachen von sichtbaren Schäden nicht immer erkennen. Aus diesem Grund sind in den vergangenen Jahren verstärkt Anstrengungen auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Prüfverfahren (ZfP) im Bauwesen unternommen worden. Hierbei haben die Verfahren Radar, Impact-Echo und Ultraschall ihre prinzipielle Einsatzfähigkeit zur Schadenserkundung beziehungsweise -bewertung bewiesen. Allerdings haben die einzelnen Verfahren ihre bestimmten Einsatzgrenzen beziehungsweise Randbedingungen, die zu beachten sind. Zudem ist der Einsatz dieser Verfahren zur Untersuchung größerer Flächen sehr zeit- und personalintensiv und erzeugt zurzeit noch nicht unerhebliche Kosten. Aus diesem Grund hat die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung einen Baustellenscanner entwickelt, der es ermöglicht, automatisiert eine größere Fläche eines Bauwerks mit den oben genannten Verfahren der ZfP zu untersuchen.
Zur Untersuchung eines Bauwerks vor Ort wurde die Fuldatalbrücke Eichenzell gewählt, die im Zuge des Ausbaus der Bundesstraße zur Autobahn A 66 abzureißen war. Mit Unterstützung der Hessischen Straßenbauverwaltung und hierbei speziell des ASV Fulda wurden Untersuchungen mit Radar, Impact-Echo und Ultraschall an der Fahrbahnplatte von oben beziehungsweise von unten sowie an der Innenseite des Hohlkastensteges durchgeführt.
Der Baustellenscanner und die einzelnen Verfahren konnten praxisnah erprobt und ihre Eignung nachgewiesen werden. Ein großer Vorteil der automatisierten Untersuchung eines Bauwerkes mit verschiedenen Verfahren liegt darin, dass die Messung bei den einzelnen Verfahren auf den gleichen Messpunkten erfolgt und somit eine Datenüberlagerung möglich ist. Mit Hilfe spezieller Auswerte- beziehungsweise Überlagerungssoftware konnte eine Datenfusion erreicht werden, die die Vorteile der einzelnen Verfahren zur besseren Untersuchung des Bauwerkes nutzen konnte.
Die Kenntnis der Leistungsfähigkeit von zerstörungsfreien Prüfverfahren
im Bauwesen (ZfPBau-Verfahren) ist eine wichtige Grundlage für deren
zunehmende Akzeptanz in der Baupraxis. Insbesondere bei Radar wird von Anwendern
immer wieder nachgefragt, bis in welche Tiefe, bei welchem Betonalter und
mit welcher Antennenfrequenz schlaffe Bewehrung zuverlässig geortet werden
kann. Die Frage nach der Eindringtiefe in Bezug zum Betonalter ist insofern von
Bedeutung, dass eine erfolgreiche Anwendung an Bestandsbauwerken an vergleichbaren
Bauteilen aus jungem Beton misslingen kann, wenn die Anwendungsgrenzen
von Radar an jungem Beton nicht richtig eingeschätzt werden. Da in realen
Bauteilen der Bewehrungsgehalt stark differiert, ist für den Anwender auch von
Interesse, wie sich die Zuverlässigkeit des Verfahrens mit zunehmender Verlegedichte
der oberflachennahen Bewehrung ändert.
In diesem Beitrag werden systematische Untersuchungen an Stahlbetonbauteilen mit
Bewehrungsstäben in variierender Verlegetiefe bei zunehmendem Betonalter und
zunehmender Verlegedichte der oberflächennahen Bewehrung vorgestellt. Die
Untersuchungen erfolgten unter Verwendung von Radarantennen mit Signalmittenfrequenzen
von 1,2 GHz-, 1,6 GHz- und 2,3 GHz. Die Dielektrizitätszahl εr
wird bezüglich ihrer Streuung im Bauteil quantifiziert. Daraus ergeben sich ebenso
Kenntnisse über die Streuung der Wellenausbreitungsgeschwindigkeit, die beim
Einsatz von Migrationsalgorithmen von großer Bedeutung sind.
Die Ergebnisse zum Eindringverhalten von Radar werden dem Anwender quantitativ
in Abhängigkeit vom Betonalter und der Signalmittenfrequenz der Radarantennen
zur Verfügung gestellt. In tabellarischer Form bieten die Ergebnisse so eine
wichtige Orientierungshilfe für Untersuchungen an neu errichteten Stahl- und
Spannbetonbauteilen und können als Ergänzung des DGZfP-Merkblatts B10 dienen.
Influence of concret properties on the calibration of radar, ultrasonics and active thermography
(2008)
The European infrastructure asset has developed historically and is characterized by nation-specific construction processes. Inspection, condition assessment, and maintenance procedures differ from country to country. Because of historical and political circumstances, national infrastructure assets are maintained at different levels, too. Since the budget for maintaining the bridge infrastructure less and less meets the demands of a growing bridge stock, bridge inspection, maintenance, and life-cycle considerations gain higher importance. The need exists to develop effective diagnosis tools for early detection of construction faults, defects, and deterioration processes during inspection, to keep the bridge infrastructure at an acceptable level, from structural safety and economic viewpoints. An overview on the latest research projects and integrated bridge management systems in Europe is given. The potentials of nondestructive testing (NDT) are presented, with special focus on technical advances of NDT applications to reinforced concrete (RC) and posttensioned concrete bridges. Although NDT is not regularly integrated in these processes, the application brings valuable information on the current condition of the inner structure in called-in special inspections. NDT-automation and the application of imaging echo methods, combined with advanced data processing, produce a surprising level of information about the inner structure of massive RC slabs up to a depth of about 60 cm. Detected inhomogeneity and scatterers of acoustic or electromagnetic waves can be visualized in vertical or horizontal slices through the structure or animations. The fusion of different three-dimensional data sets of processed data improves the interpretability and accuracy of the results.
This paper presents the progress of successful location of grouting faults in tendon ducts with ultrasonic imaging. The examples were obtained in the research group FOR 384 funded by DFG (German Research Foundation). The co-operation of experimental research and modeling allowed imaging and identification of grouted and ungrouted areas of tendon ducts (including strands) in a large test specimen (40 m²). In addition to the criteria for indicating grouting faults in post-tensioned ducts known until now the phase evaluation of reflected ultrasonic pulses is described. Experiments and modeling of wave propagation are presented for reflections at metal plates in concrete (thickness range 0.5 mm to 40 mm) and for tendon ducts including strands.
The main part of the progress was achieved by automated measurements using dry contact transducers, 3D-SAFT reconstruction including phase evaluation and modeling considering wave propagation for typical elastic parameters and exact experimental site conditions. The results for shear waves as well as for pressure waves are compared in the frequency range from 50 kHz to 120 kHz.
Die Standsicherheit und Dauerhaftigkeit von Spannbetonbrücken werden wesentlich durch den Ist-Zustand der Bewehrung und der Spannglieder bestimmt. Bei komplexeren Schadensbildern oder dem Verdacht visuell nicht erkennbarer Schäden sind zur Zustandsbeurteilung detaillierte Informationen über deren Art und Umfang durch Objektbezogene Schadensanalysen zu erheben. Die Anzahl der dazu zu öffnenden Untersuchungsstellen kann durch den Einsatz zerstörungsfreier Prüfverfahren (ZfPBau-Verfahren) deutlich reduziert werden. Die Leistungsfähigkeit der automatisierten ZfPBau-Verfahren - Radar, Ultraschallecho und Impact-Echo - für die Ortung von Bewehrung, internen Spanngliedern und gegebenenfalls vorhandenen Verpreßfehlern wird anhand von Messungen an der Fuldatalbrücke bei Eichenzell gezeigt. Die Ergebnisse der Untersuchungen werden bildgebend dargestellt.
Zerstörungsfreie Prüfverfahren im Bauwesen werden zunehmend für großflächige und detaillierte Zustandsuntersuchungen von Bauwerken angewendet. Für gezielte Untersuchungen von spanngliedführenden Bereichen mit einem Schadensverdacht in Spannbetonbauwerken eignen sich die Prüfverfahren Ultraschallecho, Impakt-Echo und Radar. Eine nennenswerte Verbesserung der Ergebnisse und deren Interpretation wurde in den letzten Jahren durch die weiterführende Datenauswertung mit Hilfe von 3D-Rekonstruktionsrechnungen und der Kombination von Meßdaten durch Datenfusion erreicht. Die Anwendung der Verfahren mit automatisierter Meßwerterfassung wird für Fahrbahnplatten und Hohlkastenstege dargestellt und diskutiert. Ergebnisse einer Meßunsicherheitsbetrachtung und deren Bedeutung werden an einer Fundamentplatte aufgezeigt.
Translated Abstract
Automated Non-Destructive Assessment of Bridges
Non-destructive test methods in civil engineering are increasingly used for large-area investigations of structures. The test methods ultrasonic-echo, impact-echo and radar are well suited for detailed investigations of pre-stressed areas at pt-concrete structures. A significant improvement of the results and their interpretations has been achieved in recent years using advanced data analysis procedures such as 3D-reconstructions and the fusion of data. The automated application of the methods has been carried out successfully at decks and webs of pre-stressed box girder bridges. The achieved results are discussed in detail. The measurement uncertainty and its importance for the results are presented considering as example a foundation slab.
The introduction of an innovative process for non-destructive testing is described in terms of its different phases and how the process is controlled in the Fraunhofer IZFP in order to obtain optimal results. Examples are discussed of applications by IZFP in various important and safety-relevant industrial sectors where the automated inspection systems were introduced. These case studies include the inspection of railway components such as the wheel sets of the German high-speed train and in-line pipe inspection by using intelligent pipeline inspection gauges. Complex inspection systems, both hardware and software, developed in partnership with the Federal Institute for Materials Research and Inspection (BAM), were applied to inspection tasks in civil engineering. Two automated systems based on a robot and on a flexible manipulation are presented. Both systems can be applied to diverse inspection technologies and to the data fusion of various types of non-destructive testing (NDT) data.