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Information about an existing structure can be collected at certain costs to evaluate the reliability and condition as realistically as necessary. This information can be relevant or irrelevant, true or biased, precise or imprecise. The incorporation of relevant and quality-assessed measured information into reliability reassessment offers the chance to extend remaining lifetimes and support decision making about optimal actions or maintenance strategies. This paper shows recent developments in a national research project that aims to produce a guideline on the NDT-based, structure-specific modification of partial safety factors. The general methodology, results from recalculations according to the Eurocodes and metrologically solvable testing tasks relevant in the recalculation of the concrete bridges are shown and compared with the non-destructive testing methods applicable to concrete bridges. A case study is used to demonstrate that as-built drawings, in this case of the positions of tendons and shear reinforcement, can be verified using the radar method.
The process of ensuring reliability of NDT applications contains various aspects, such as determining the performance and probability of success, the uncertainty in measurement, the provision of clear and functional procedures and ensuring the correct application accordingly. Test specimens have become powerful elements in supporting many of these aspects. Within the committee for NDT in Civil Engineering (NDT-CE) of the German Society for Nondestructive Testing (DGZfP), the subcommittee on Quality Assurance (UA-QS) therefore addresses the design and the integration of test specimens in the quality assurance process. Depending on the specific purpose, the requirements on test specimens can vary significantly based on the defined simulated scenario. The most prominent purposes of test specimens might be seen in providing references for inspection systems in regard to function control, calibration and validation. Further aspects can be parametric studies, basic investigation of physical principles related to NDT or a simplified and therefore comprehensive demonstration of inspection concepts (e.g. for teaching purposes). The specific purpose of a test specimen dictates the requirements regarding its conception, including the exact design, the material or the fabrication accuracy and the conditioning. In the development of a general guideline by the UA-QS for application-specific procedures and their validation, the use of test specimens is addressed and specific concepts for the design of test specimens are made. This includes the analysis of the measurement process regarding any given application, deriving an adequate calibration approach for it and designing test specimens (calibration specimens) accordingly. Furthermore, it includes the validation of the procedure taking into account all conditions related to the specific application in the field. The validation requires a statistically sufficient number of trials. Thorough evaluation of each trial can only be established if the ground-truth is known. Therefore, test specimens providing a realistic but controlled simulation of the inspection problem are valuable and indispensable elements in the validation process. The requirement of being fully realistic will often not be possible to fulfill due to practical restrictions. Any aspect that cannot be included in the simulation realistically needs to be simulated conservatively. This again, requires a sufficient understanding of the inspection principle and technique to ensure conservativeness. Among other quality-assurance-related aspects, the UA-QS establishes concepts and guidelines regarding sound and efficient approaches for the specific purposes of test specimens. This subcommittee brings together representatives of different Groups along the entire value chain of NDT-CE, including researchers, practitioners, manufacturers and clients. They all work together in establishing a common understanding and level of quality assurance in the industry.
The field of non-destructive testing of civil structures (NDT-CE) has been continuously growing. Due to the complexity and diversity of civil constructions as well as the heterogeneity of concrete, specific standards or guidelines for the application of modern NDT-CE are still missing. The development of individual solutions is the current approach, which is just as challenging as it is common for NDT-CE.
With the increasing development and commercialization of NDT-CE technology, the group of practitioners is growing. To ensure a good level of quality in the industry, it appears necessary to establish adequate means.
Naturally, the performance of NDT-CE methods regarding a specific application is strongly dependent on choosing the most suitable inspection technique and applying it correctly, generally referred to as the inspection procedure in the field of NDT. There are well-defined guidelines regarding procedure documentation and handling in many fields of NDT (e.g. nuclear, aerospace or automotive) according to the high importance of procedures in assuring a successful and reliable application. For a long time, this has not always been the case with NDT-CE, which is still considered a unique discipline of NDT. Part of the reason for that might be the young development state of NDTCE, the heterogeneity of building materials like concrete, timber or masonry as a material and the diversity of civil structures. In consequence, NDT-CE procedure development is considered challenging.
Among other aspects, addressed in the subcommittee on Quality Assurance (UA-QS) within the committee for NDT-CE of the German Society for Nondestructive Testing (DGZfP), part of its work aims at establishing an adequate basis for NDT-CE procedure development. While some of the highly developed approaches from other industries are taken into consideration, they need to be analyzed regarding their suitability for NDT-CE and adapted accordingly. For a procedure to be as defined as possible, it needs to contain sufficient information, such as the scope and limitations regarding material, geometry and condition of the test object, inspection parameters, calibration, data acquisition, analysis criteria as well as requirements regarding the inspection personnel.
For a successful implementation in the field, it is important to define the specific procedure as precisely as possible. Despite the necessity of a great amount of information to be included, the procedure needs to be suitable for efficient field application.
The UA-QS is developing a guideline for NDT-CE procedures suitable for application in this field of NDT to ensure correct and reproducible application. To demonstrate and evaluate this concept, specific examples of procedures are also produced. In particular, the UA-QS has developed a procedure for the detection and positioning of tendon ducts using Ground Penetrating Radar (GPR). This procedure is tested regarding the practical applicability in a roundrobin on a defined type of reference test block.
Post-tensioning systems provide safe and efficient construction solutions for long span bridges. Despite the improved grouting practices over the past decade, existing post-tensioning systems may have significant amount of grout defects, which could lead to corrosion of the strands. Condition assessment of post-tensioning systems is necessary to allow bridge owners to take timely, proactive actions to mitigate or prevent further Deterioration and unanticipated tendon failures. A detailed experimental study conducted to assess the performance of nondestructive evaluation techniques in detecting grout defects within internal tendons is presented herein.
Nondestructive evaluation techniques that include Ground Penetrating Radar, Impact Echo, Ultrasonic Tomography, and Ultrasonic Echo are evaluated in terms of detecting the location and severity of fabricated grout defects in a full-scale post-tensioned U-girder mock-up specimen. While Ground Penetrating Radar can identify the location and profile of the internal tendons, particularly metal ducts due to strong reflections, this method did not provide any information about the defect conditions within the tendon. Both Impact Echo and Ultrasonic Echo techniques are effective in identifying the Location of grout defects, but could not differentiate between water, void, or compromised grout conditions. The study clearly demonstrates the need for NDE techniques that are applicable to anchorage regions, and that are capable of estimating the severity and nature of grout defects in internal tendons.
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.
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.
We have compared the performance of the typical Darr and CM moisture testing techniques, which are destructive with several non-destructive testing techniques on two types of floor screeds. In case of cement based screeds these destructive tests failed to deliver reliable results. Moreover, our measurements indicate significantly different drying and moisture transport behavior for the investigated cement based and calcium-sulphate based screeds. Whereas we have strong with depth decreasing moisture gradients in the CT material, we observe in the penetrated volumes of our ndt methods basically no clear moisture gradient in the CA samples. The findings with ndt methods could be supported by moisture gradient studies with nuclear magnetic resonance measurements.
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.
For almost 15 years, carbon fibre-reinforced polymer (CFRP) plates and sheets have been used for strengthening and repair of civil engineering structures. CFRP plates were applied to upgrade structures for change in use or increasing traffic load. CFRP laminates have also been used to repair deteriorated structures such as multi-storey parking or bridges. The execution quality and condition of the strengthening measure in terms of bond integrity were neither monitored nor tested systematically. Inspectors eventually applied simple hammer knocking during regular main inspection for subjective noise distinction as a measure for eventual insufficient bond. This paper presents the feasibility and the limitations of low-frequency transversal ultrasonic waves with dry-coupling point-contact sensors for inspection and defect detection between CFRP laminate and concrete surfaces. The German Centre of Competence in Civil Engineering (DIBt) has initiated a national research project [Helmerich et al. (2012). Condition analysis of bonded CFRP-applications on concrete structures by means of non-destructive testing [in German: Zustandsuntersuchung von CFK-Klebeverstärkungen an Betonbauteilen mittels zerstörungsfreier Prüfung (ZfP)]. Final, internal project report], carried out at the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM), Germany. The aim of the project was to present a potential non-destructive testing method for bond defect detection as a measure for the durability of the strengthening system more than 10 years after application.
This paper studies the spatial and temporal spectral absorption of reflector signals of a 1.5 GHz ground penetrating radar (GPR) during a drying process of a brickwall from initial wet to later dry state. The non-stationary GPR signals were processed with short time-Fourier transform (STFT) and wavelet transform (WT) in a novel spatial-timefrequency (STF) domain. Spatial distribution of peak frequency at the direct wave (DW) across the antenna and a backwall reflection was studied to characterize the mechanism of spectral absorption of GPR wave. Results from WT were shown to be more preferred to those from STFT because the WT offers multiple resolutions to cope with both low and high frequency components in GPR wavelets but STFT does not. In addition to the traditional GPR signal interpretation in time-domain and our previous works on time–frequency domain, the analysis method operated in the STF domain provides another possibility of material characterization by GPR in large and field scale.
Die drei Beispiele zerstörungsfreier Prüfungen an Spannbetonbrücken zeigen unterschiedliche Problemstellungen und deren Lösung mit unterschiedlichen Ansätzen.
Allen drei Beispielen gemeinsam ist die Verwendung kommerzieller Geräte. Diese werden von verschiedenen Anbietern bereitgestellt. Eine weitere Gemeinsamkeit ist, dass die Grundgeräte durch zusätzliche Maßnahmen ergänzt. Erst dann ist der gewünschte Untersuchungserfolg sicher gestellt.
Im ersten Beispiel wurde die vom Auftraggeber geforderte Präzision dadurch erreicht, dass systematische Voruntersuchungen stattfanden. Die Übertragung der Lokalisierung direkt auf die Betonoberfläche stellte sicher, dass keinen Informationsverluste an die nachfolgenden Aufgaben auftraten.
Das zweite Beispiel zeigt den Nutzen von Automatisierung und Kombination von Verfahren. Damit können dem Auftraggeber die notwendigen Angaben über Einbauteile mit großer Detaitreue und leicht verständlicher Visualisierung aufbereitet werden. Der abschließende Bericht zeigt, wie vorhandene Auswertungen sinnvoll durch noch in der Forschung befindliche Ansätze bereichert werden.
Insgesamt ist die zerstörungsfreie Prüfung in der Lage, an Brücken preisrelevante Fragestellungen zu lösen. Voraussetzung hierfür ist eine sorgfältig geplante Vorgehensweise und ein sicheres Verständnis der Grundlage der eingesetzten Geräte und Auswertungsschritte.
Time slices of very dense GPR measurements carried out at concrete with a real point distance of less than 10 mm in x and y direction show weak reflection patterns besides the strong reflections of reinforcements. A repetition of these measurements with the same local geometrical precision at the same specimen shows the same reflection pattem. We suppose that the heterogeneity of concrete given by aggregates (e.g. gravel, broken granite) causes local weak Scattering of the GPR waves and leads to reflection patterns in the GPR data. These reflection patterns can be explained by a Superposition of multiple scatterings of single aggregates. So far these reflection patterns have been not recognized in Standard time slices due to the large spacing (> 5 cm) between single profiles and because of the interpolation between the profiles.
We investigate the characteristics of the volume scattering effects, caused by aggregates, at concrete blocks with two different grading curves. In a more general investigation we study the volume scattering of aggregates by using wooden boxes filled with only typical aggregates and an included defined reflector (metal plate). The thickness of the aggregate layer above the metal plate was varied between 20 cm and 40 cm. With a very dense measuring grid at the surface we are able to calculate the effective volume scattering and to analyze the distribution of the reflection amplitude of the included metal plate for different aggregate set-ups. Results of this study confirm that the weak reflection patterns in concrete can be explained by aggregate scattering and have a direct correlation to the penetration depth of GPR in concrete.
Trans-European corridors for transport of people and goods require strengthening of bridges to carry increased axle loads in terms of absolute axle loads and of their frequency. Most of the bridges along highways are reinforced or prestressed concrete bridges.
Since the late 1990s, CFRP laminates have been applied to box girder and T-beam bridges to increase the overall capacity. Although regular inspections are carried out, no special method was available to test the bond condition of CFRP laminates after being in Service for more than ten years. The German Center of Competence in Civil Engineering is aware of this need and funded a research project to investigate the bond condition by means of advanced non-destructive testing (NDT).
Anhand eines erfolgreichen Messeinsatzes an einer Spannbetonbrücke, deren Querspannglieder zuverlässig lokalisiert und nachfolgend instandgesetzt werden sollen, wird die Vorgehensweise der Radarmessung mit zwei verschiedenen Polarisationsrichtungen der Antenne zur Unterscheidung von unterschiedlichen Arten der Bewehrungen ausführlich erklärt. Das Radarverfahren eignet sich sehr gut für die zerstörungsfreie Ortung von Bewehrung in Stahlbetonbauwerken. Insbesondere lässt sich mit dem Verfahren vorgespannte Bewehrung bis in einer Tiefe von ca. 30 cm und bei einem normalen Bewehrungsgrad (Maschenweite >10 cm) der schlaffen Bewehrung zuverlässig auffinden. Seit einigen Jahren wird das Radarverfahren erfolgreich im Vorfeld einer schadensfreien Kernbohrung im Rahmen von Ertüchtigungsmaßnahmen von Stahlbetonbrücken mit externen Spanngliedern angewendet. Aufgrund der Lage und dem Verlauf der vorgespannten Bewehrung in Hohlkastenseitenwänden und Plattenbalken kann eine vorgespannte Bewehrung von schlaffer Bewehrung in diesen Bauwerken sehr gut unterschieden werden. Diese Unterscheidungsmerkmale lassen sich aber bei Querspanngliedern in einer Fahrbahnplatte nur selten anwenden, da häufig die Überdeckung und der Abstand der schlaffen Bewehrung und der Querspannglieder ähnlich sind. In diesem Beitrag wird beschrieben, wie der gezielte Einsatz verschiedener Polarisationsrichtungen der Antenne zu einer zuverlässigen Unterscheidung von schlaffer Bewehrung und Spanngliedern beiträgt und damit zu einer verbesserten bildgebenden Darstellung der inneren Konstruktion der Fahrbahnplatte führt.
Im Rahmen von Ertüchtigungsmaßnahmen an Spannbetonbrücken werden häufig Kernbohrungen durchgeführt, die die vorhandenen Spannbewehrungen nicht beschädigen dürfen. Die Zerstörungsfreie Prüfung (ZfP) kann einen wesentlichen Beitrag leisten, das Risiko einer Beschädigung zu minimieren und somit eine bessere Planungssicherheit für die Ertüchtigungsmaßnahmen zu schaffen. Typische ZfP-Verfahren für das Auffinden von vorgespannter Bewehrung sind das Radar- und das Ultraschallverfahren. Am Beispiel der Ertüchtigung einer Brücke in Bremen wird die Vorgehensweise beschrieben, und es werden die Grenzen der Verfahren aufgezeigt.
Moisture ingress is one of the major deteriorating factors for building materials. Today, the only approved way to assess such damage is the gravimetric Darr method, which is essentially destructive. Substantial progress has been made using the geophysical complex-resistivity method, which can be applied non-destructively and provides spatial information along two-dimensional sections, rather than punctual along one borehole. Considerable advantages of complex resistivity are its sensitivity to textural properties, as well as the pore-fluid chemistry of wet, porous media. In a comprehensive laboratory study, and later in field scale experiments, it could be shown that complex resistivity may even be able to distinguish between salt content and saturation degree in a single measurement. A comparison with complementary nondestructive testing techniques points to the benefit and further research to be explored in multimethodical approaches.
The delamination of concrete slabs is the separation along a plane roughly parallel to, and generally near, the surface. Corrosion-induced delamination is a common problem in old concrete bridge decks. If undetected, delaminations could expand, reach the surface, and result in spalling. Early detection of delamination is necessary for planning timely repairs that prevent costly deck replacement projects. Most bridge owners rely on routine visual and traditional surveys of bridge deck conditions. These surveys are highly subjective and can locate only large shallow delaminated zones. Several nondestructive testing (NDT) techniques have recently been employed for bridge deck evaluation to obtain more objective and comprehensive assessment. The reliability of applicable methods needs to be established before a greater role for NDT in routine inspections can be encouraged. This paper presents a validation study aimed at evaluating the effectiveness of three NDT techniques, namely impact echo, ultrasound (US) echo, and US linear array, in detection of delamination. This study is unique because the subject test specimens were deteriorated bridge deck segments preserved from the demolition of a prestressed box girder bridge. The results of the tests conducted on one of the specimens are presented and discussed here: impact echo provided satisfactory overall assessment, but the individual results were often difficult to interpret; US echo detected deep delaminations but not shallow ones; and US linear array located the extent of deep delaminations and provided indications of shallow ones.
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.
Building stones are porous media and they can deteriorate through moisture ingress and secondary damage such as crystallization of soluble salts. Not only is this due to the increasing number of flood events in the past years but also structural damages of houses from activity such as leakage or rising moisture (groundwater) are the main causes. The potential benefit of several nondestructive testing methods to assess water damage in building stone has been studied in a field-scale experiment. Three testing walls made of fired clay brick, sandstone, and spongilite were flooded and their drying behavior monitored using infrared thermography, complex resistivity, ground penetrating radar, and ultrasonics. The results were compared to the average moisture content determined by gravimetric weighing of the specimens. Qualitatively, the results of the different nondestructive testing methods matched well. But in terms of quantitative data, some scatter was observed and the results should be viewed with care. Collecting time-consuming calibration data would help to overcome this problem, but especially when dealing with historic building structures, this is not always possible in practice.
Moisture ingress is one of major damaging factors for masonry buildings. As the complex resistivity (CR) is sensitive to textural properties as well as to the pore fluid chemistry of wet porous media, its non-destructive application can provide helpful information for conservators. In a comprehensive laboratory study it has been shown that CR might even be able to distinguish between salt content and saturation degree in only one measurement. The combined use of electrical and electromagnetic measurement techniques in two field-scale flooding experiments has shown some unexpected differences. Possible reasons are discussed and it is shown that bringing together the information of both methods leads to a clearer picture.
Die Ermittlung der genauen Bewehrungslage ist von großem Interesse bei der Instandsetzung und Ertüchtigung von Stahlbetonbauwerken. Denn nur wenn die Lage der für die Standsicherheit wichtigen Bewehrung bekannt ist, können Kernbohrungen oder Sägearbeiten schadensfrei durchgeführt werden. Das Bodenradar als zerstörungsfreie Methode ist wegen des einfachen Verfahrens der Antenne entlang einer Messspur für eine solche Aufgabenstellung sehr gut geeignet. Die Anwendung kann aber eingeschränkt werden, wenn die gesuchte Bewehrung zu tief liegt oder durch eine davor liegende Bewehrung abgeschattet wird. Bei der Ortung mehrlagiger Bewehrung ist es wichtig, einen mehrstufigen und effizienten Messplan zu erstellen, der den Aufwand auf einem vertretbaren Maß beschränkt und die Möglichkeit bietet, beim Erreichen der Verfahrensgrenzen rechtzeitig die Untersuchung abzubrechen. Am Beispiel einer Stahlbetonbrücke, die nachträglich mit externen Spanngliedern versehen wurde, wird das Vorgehen beim Orten von mehrlagiger Bewehrung gezeigt.
Das Ziel des Forschungsvorhabens „Zerstörungsfreie Ortung von Gefügestörungen in Betonbodenplatten“ bestand in der Entwicklung eines Untersuchungskonzepts zur sicheren Ortung und Erfassung von Gefügestörungen in einseitig zugänglichen Betonplatten durch den kombinierten Einsatz verschiedener zerstörungsfreier Prüfverfahren. Hierfür wurde die Leistungsfähigkeit der folgenden Messverfahren hinsichtlich ihrer Aussageschärfe, Anwendungsgrenzen und Messgeschwindigkeit bei praxisnahen Randbedingungen untersucht:
- Impakt-Echo, manuelle Impaktauslösung
- Impakt-Echo, automatisierte Impaktauslösung
- Ultraschall-Echo mit multistatischem Array
- Impuls-Thermografie
- Radar
Als Versuchskörper dienten sechs liegend hergestellte Betonplatten der Abmessungen 200/200/30 cm aus zwei verschiedenen Betongüten und mit unterschiedlichem Bewehrungsgehalt (Bewehrungsgrade 0 %, 0 ,9 %, 2 ,6 %), von denen vier Platten auf trockenem und zwei Platten auf ständig nass gehaltenem Sand gelagert waren. Alle sechs Platten enthielten jeweils dieselben künstlich eingebrachten Fehlstellen: vier quadratische Kiesnester in unterschiedlicher Tiefe mit Kantenlängen zwischen 10 und 15 cm sowie drei oberflächennahe Hohlstellen (Ø 4/6/8 cm). Zur Erfassung eines möglichen Einflusses des Betonalters wurden die Messungen 4 Tage, 28 Tage sowie 180 Tage nach Herstellung der Platten durchgeführt.
Um aus den Untersuchungen einen breiten Nutzen für die Praxis zu erzielen, basierten die eingesetzten Messverfahren auf handelsüblichen Geräten, welche jedoch bezüglich ihres Messprinzips und insbesondere der Datenerfassung und -auswertung weiterentwickelt wurden. Die Fehlstellengröße wurde bewusst klein gewählt.
Mit Ausnahme des manuellen Impakt-Echo-Verfahrens, mit welchem unter Verwendung der Originalsoftware des Herstellers keine Fehlstellen nachweisbar waren, zeigten sich alle Messverfahren geeignet, unter verschiedenen Randbedingungen Gefügestörungen zu lokalisieren. Insgesamt wurde jeder Fehlstellentyp von zumindest einem Verfahren bei mindestens zwei Versuchskörpern detektiert. Es konnten jedoch an keiner Betonplatte mit einem einzelnen Messverfahren alle vorhandenen Fehlstellen an allen Messterminen geortet werden.
Am häufigsten wurden die beiden großen oberflächennahen Fehlstellen (Hohlstelle Ø 8 cm, Kiesnest 10 cm) erkannt. Am schwersten zu lokalisieren waren die kleine Hohlstelle mit 4 cm Durchmesser sowie die beiden auf der Unterseite gelegenen Kiesnester.
Die Untersuchungen zeigen, dass für eine erfolgreiche Anwendung zerstörungsfreier Messverfahren in der Praxis die Auswahl des am besten geeigneten Verfahrens bzw. einer Kombination verschiedener Verfahren jeweils auf die vorliegende Problemstellung abgestimmt sein muss.
Für Betonbodenplatten mit hohem Feuchtegehalt (junger Beton) oder starker Bewehrung ist entweder das Ultraschall- oder das Impakt-Echo-Verfahren geeignet. Das Ultraschall-Verfahren wird von hohen Bewehrungsgehalten zwar stärker beeinflusst als das Impakt-Echo-Verfahren, besitzt aber eine bessere Auflösung und ermöglicht auch im oberflächennahen Bereich eine quantitative Bestimmung der Fehlstellentiefe. Das Impakt-Echo-Verfahren kann wegen der niederfrequenten Impulsanregung Fehlstellen erst in größeren Tiefen und mit schlechterer Auflösung nachweisen, ist aber ideal geeignet zur Bestimmung der Plattendicke aufgrund seines signifikanten Rückwandechos. Sowohl das Radar-Verfahren als auch die Impuls-Thermografie können bei hohen Feuchte- und Bewehrungsgehalten nur sehr oberflächennah eingesetzt werden.
Bei trockenem Beton und geringen bis mittleren Bewehrungsgehalten liefert das Radar-Verfahren sehr gute Ergebnisse. In kurzer Zeit ermöglicht es eine flächendeckende Ortung der Tiefenlage und Größe von Inhomogenitäten bei guter Auflösungsgenauigkeit. Vorhandene Bewehrung wird deutlich abgebildet, kann aber darunterliegende Fehlstellen verschatten. Alternativ kann die Impuls-Thermografie für die Ortung oberflächennaher Gefügestörungen eingesetzt werden. Das Verfahren eignet sich insbesondere bei Oberflächen, die nicht direkt zugänglich sind, da zwischen Infrarotkamera und Messobjekt nur Sichtkontakt bestehen muss.
Die Betongüte hatte bei keinem eingesetzten Verfahren einen erkennbaren Einfluss auf die Messergebnisse. Streng genommen ist dies jedoch nur für den Einfluss des Wasserzementwertes, der Zementart und des Zementgehalts bei gleichbleibender Sieblinie und gleicher Kornart gültig. Bei Verwendung von Leichtzuschlag sind abweichende Ergebnisse denkbar.
Non-destructive and minor destructive testing methods enable a classification of historic structures, building processes, applied building technologies and materials. Therefore, these methods should be part of the global investigation of historic buildings which is usually required before the planning of any building intervention. The case study presented herein encompasses experimental work carried out at the St. Servatius Church in Quedlinburg, Germany. Within a comprehensive restoration campaign, non-destructive on-site investigations were carried out with radar and ultrasonics. The results were combined with plans, views and cores recorded in advance.
Der Bedarf an Kernbohrungen in Stahlbetonbauwerken ist in den letzten Jahren durch die steigende Anzahl von Instandsetzungen und Ertüchtigungen unterschiedlicher Stahlbetonbauten stark gewachsen. Für die Durchführung einer Kernbohrung ist die Kenntnis der genauen Lage der vorgespannten Bewehrung notwendig, um diese für die Statik wichtigen Elemente nicht zu beschädigen. Das methodische Vorgehen für die schadensfreie Durchführung von Kernbohrungen wird am Beispiel einer ca. 1 m dicken Hohlkastenseitenwand der Karl-Carstens Brücke in Bremen gezeigt. Nach der Darstellung der Ausgangslage und der Aufgabenstellung werden die Schritte beschrieben, die zu einer erfolgreichen Durchführung der Aufgaben erforderlich waren. Hierbei steht die planmäßige Anwendung der zerstörungsfreien Untersuchungsmethode Impulsradar im Vordergrund. Das Vorgehen gliedert sich in vier Schritte:
- Zunächst wurde eine Voruntersuchung durchgeführt, um festzustellen, ob sich die vorgespannte Bewehrung in den erwarteten Tiefen von bis zu 50 cm und unter den vorhandenen Bedingungen der Hohlkastenseitenwände mit dem Impulsradar detektieren lässt.
- Nach der erfolgreichen Voruntersuchung wurden im zweiten Schritt die Bereiche der geplanten Kernbohrungen großflächig mit dem Impulsradar untersucht.
- Anschließend konnte anhand der Messdaten die Lage der Bewehrung ermittelt und in einen Plan eingezeichnet werden, der im Maßstab 1:1 ausgedruckt wurde. Dieser Plan wurde positionsrichtig auf die Oberfläche der Hohlkastenwand geklebt.
- Im letzten Schritt wurden dann gezielte Test- und Suchbohrungen durchgeführt, denen die eigentlichen Kernbohrungen folgten.
Mit der im Plan dargestellte Bewehrungslage war die Voraussetzung für schadensfreies Bohren gegeben. So konnten die Kernbohrungen durchgeführt werden, ohne die vorgespannte Bewehrung zu beschädigen.
Ground Penetration Radar (GPR) as a non-destructive (NDT)-method can be applied to obtain detailed information about the inner structure and condition of bridges without damaging the structure.
In this paper the capabilities and limitations of the application of the fast inspection technique GPR will be demonstrated.
In addition to GPR investigations, geoelectrical measurements, coring and petrophysical investigations have been carried out.
The investigated railway bridge in Olesnica is a typical European masonry arch bridge (age, construction and span length).
It shows typical damage to the masonry arches such as increasing salt concentration, destruction, material losses and longitudinal cracks.
Radar measurements were carried out with two main objectives: (1) Identification of basic geometric dimensions of the bridge and identification of construction details; (2) Evaluation of the condition of the masonry, such as mechanical damage (e.g. cracks) or variation of the moisture content.
Radar antennas of different frequencies (having different penetration depths) have been used to estimate the thickness of the walls.
Because of the high attenuation in the inner masonry structure the measurements have not produced satisfying results, but the radar measurements have been successfully applied to investigate the moisture distribution in the masonry.
These results have been verified by coring and through geoelectrical measurements.
Cracks were studied at two testing areas at one wing wall of the bridge using an automatic 2D radar scanning system.
The radar data were processed using advanced data processing tools like FT-SAFT reconstruction and data fusion.
The processing sequence allowed the creation of high-resolution depth sections (C-Scans).
Influence of concret properties on the calibration of radar, ultrasonics and active thermography
(2008)
Non-destructive testing (NDT) of concrete structures plays an increasing role in civil engineering. This paper presents the results of systematic measurements carried out in the laboratory at BAM and on-site at several bridges using reconstructed and fused radar and ultrasonic echo data sets. For investigating the influence of concrete mixture, radar and ultrasonic measurements were performed at test specimens consisting of concrete mixtures with different pore content and distribution as well as with steel fibres. Further, it is demonstrated how the fusion of data sets recorded with different methods at the same structure (here: concrete bridges) enhances the information content in the fused data set. Different approaches for data fusion algorithms are discussed. The results of these investigations 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. The presented results are based on the research project FOR384 funded by the DFG (Deutsche Forschungsgemeinschaft).
Complex resistivity (CR) behavior of building material - first results of field scale measurements
(2008)
Radar und Datenfusion
(2007)
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.
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.
Automated NDE of post-tensioned concrete bridges using radar, ultrasonic echo and impact-echo
(2006)
Non-destructive testing (NDT) of concrete structures is performed using pulse-echo methods. According to the type of the applied waves it can be classified as acoustic (Impact-Echo, Ultrasonics) and electromagnetic methods (Radar). The results are visualised through different imaging processes. This work is performed in the frame of a research project promoted by Deutsche Forschungsgemeinschaft (FOR384). The objective of data fusion is to use the complementary information of the different methods. Radar can detect metallic reflectors in concrete (metallic ducts and concrete reinforcement) very well. This method is not able to locate defects behind these reflectors (injecting defects, defects behind close concrete reinforcement), because the electromagnetic waves are completely reflected at metals. The acoustic methods are able to compensate this deficit i.e. Acoustic waves can penetrate through metal. But acoustic waves in the ultrasonic range are completely reflected by air layers. Air layers have smaller influence on radar propagation, so that both methods complement each other. In order to be able to combine the NDT-data from several methods records at the same volume, the different data setsmodes of signals must be adapted. The ultrasonic and radar data have to be reconstructed with programs based on the Synthetic Aperture Focusing Technique (SAFT) before data fusion. Subsequently, a conversion of the data into a uniform format has to be carried out. This is a prerequisite in order to keep the data exchange between the project partners as simple as possible. After the data sets are imported and transferred into a common reference system, they can be processed with operations according to the purpose of the investigation. Results, which have been achieved in concrete test specimen with radar and ultrasonics, will be presented and will show the feasibility of the data fusion method.
For the investigation of the complex inner structure of historic buildings, the application of radar has been increased during the last ten years. Although historic masonry in general is very inhomogeneous and although in some cases high absorption occurs due to enhanced moisture, radar has been successfully applied to get information on geometry, position of inclusions and about kind and size of existing damages. In this paper case studies will be presented concerning the localisation of metallic inclusions and the investigations of the structure of an exterior wall with a multiple leaf structure.
Ortung von Hohlstellen und Ablösungen in Betonkonstruktionen mit Radar und Impuls-Thermografie
(2003)
Non-destructive testing (NDT) of concrete structures is performed using pulse-echo methods. According to the type of the applied waves it can be classified as acoustic (Impact-Echo, Ultrasonics) and electromagnetic methods (Radar). The results are visualised through different imaging processes. This work is performed in the frame of a research project promoted by Deutsche Forschungsgemeinschaft (FOR384).The objective of data fusion is to use the complementary information of the different methods. Radar can detect metallic reflectors in concrete (metallic ducts and concrete reinforcement) very well. This method is not able to locate defects behind these reflectors (injecting defects, defects behind close concrete reinforcement), because the electromagnetic waves are completely reflected at metals. The acoustic methods are able to compensate this deficit i.e. acoustic waves can penetrate through metal. But acoustic waves in the ultrasonic range are completely reflected by air layers. Air layers have smaller influence on radar propagation, so that both methods complement each other.In order to be able to combine the NDT-data from several methods records at the same volume, the different data setsmodes of signals must be adapted. The ultrasonic and radar data have to be reconstructed with programs based on the Synthetic Aperture Focusing Technique (SAFT) before data fusion. Subsequently, a conversion of the data into a uniform format has to be carried out. This is a prerequisite in order to keep the data exchange between the project partners as simple as possible. After the data sets are imported and transferred into a common reference system, they can be processed with operations according to the purpose of the investigation. Results, which have been achieved in concrete test specimen with radar and ultrasonics, will be presented and will show the feasibility of the data fusion method.
Zusammenfassung
Die Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) ist eine analytische Methode mit der die Elementverteilung auf der Oberfläche von Proben orts- und tiefenaufgelöst ermittelt werden kann. Ein intensiver, infraroter Laserstrahl wird auf die Oberfläche fokussiert. Durch die hohe Energiedichte werden einige Mikrogramm Material verdampft und ein Plasma gebildet. Bei der Ausdehnung und Abkühlung des Plasmas wird die charakteristische Fluoreszenz der verdampften Elemente abgestrahlt und mit spektroskopischen Mitteln analysiert. Die Empfindlichkeit der Methode liegt im ppm-Bereich, die typische Messgenauigkeit beträgt einige Prozent. Die Ergebnisse liegen quasi on-line vor, es ist keine Probenpräparation notwendig und die Apparatur ist vor Ort einsetzbar.
Im Artikel werden Anwendungen der LIBS zur Untersuchung von Baustoffen beschrieben. Die Ergebnisse der Ermittlung der Salzverteilung in Baustoffen, der Untersuchung der Betonzusammensetzung und dem Nachweis von hydrophobierten Schichten auf unterschiedlichen Baustoffen werden vorgestellt.
Im Rahmen eines FE-Projektes “Inspektion Fester Fahrbahnen“ der BAM und der Deutschen Bahn AG geht es um die Anwendung und weitere Entwicklung zerstörungsfreier Messverfahren zur Beurteilung des Zustandes Fester Fahrbahnen.
Nach ersten Versuchsreihen direkt im Gleis wurden für verschiedene Bauarten die charakteristischen Herstellungsbedingungen simuliert und systematisch untersucht. Die kombinierte Anwendung der drei Messverfahren Ultraschall-Array-, Impakt-Echo- und Impuls-Radar-Verfahren wird hier an dem Beispiel “Betonschwelle in Betoneinbettung” dargestellt.
Application of laser induced breakdown spectroscopy for the detection of hydrophobic coatings
(2001)
Die Eignung des Verfahrens der Laser Induzierten Breakdown Spectroscopy (LIBS) zur Kontrolle einer ausreichenden Beschichtung und zur Bestimmung der Schichtdicke von Hydrophobierungsschichten auch im Rahmen wiederholender Messungen sollte untersucht werden. Mit LIBS kann die Elementverteilung orts- und tiefenaufgelöst in oberflächennahen Bereichen quasi on-line bestimmt werden. Es ist keine Probenpräparation notwendig. Wiederholende Messungen würden das vorzeitige Erkennen beschädigter Beschichtungen ermöglichen, wodurch kostspielige Sanierungsmaßnahmen vermieden werden.
In den letzten Jahren hat sich das Impulsradar als zerstörungsfreies Prüfverfahren im Bauwesen insbesondere zur Ortung von metallischen Einbauteilen wie z. B. schlaffer und vorgespannter Bewehrung in Betonbauteilen immer stärker durchgesetzt.
Systematische Laboruntersuchungen und Fallstudien zeigen aber auch, dass das Verfahren sehr gut zur Ortung von Hohlstellen sowohl in Mauerwerk als auch in Betonstrukturen geeignet ist.
Das Radarverfahren arbeitet nach dem Impuls-Echo Prinzip. Dabei wird von der Sendeantenne ein sehr kurzer elektromagnetischer Impuls ausgesendet (ca. 3 Halbwellen), der an Grenzflächen im Material (Änderung der Dielektrizitätskonstanten) und bei nicht zu dicken Bauteilen auch an der Rückseite reflektiert und von der Empfangsantenne detektiert wird. Bei den hier vorgestellten Messergebnissen wurden eine 900 MHz sowie eine 1,5 GHz Antenne in Kombination mit einem kommerziellen Radargerät eingesetzt.
Our aim is the application of LIBS as a simple, quasi on-line method for the non-destructive testing of concrete. Concrete is naturally inhomogeneous. Therefore we must take into account the local variation of the element composition using a statistical analysis. Depending on how much cement and aggregate is measured with each laser pulse, a scan on the surface of a concrete specimen produces a distribution of points in the Rankin diagram which is used to characterise the concrete.
Der große Vorteil der vorgestellten Methode liegt in der quasi on-line Bereitstellung der Ergebnisse und in der Möglichkeit des Einsatzes direkt am Bauwerk. Die vorliegenden Meßergebnisse zeigen den erfolgreichen Einsatz von LIBS zur Messung der Betonzusammensetzung. Eine Unterscheidung von Zementen gelingt durch die Einordnung der Meßwerte ins Dreistoffdiagramm.
Neue kleine Laser, handliche Echellespektrographen und neuartige Lichtleiter lassen sich zu mobilen LIBS-Apparaturen kombinieren, die eine Messung undAuswertung vor Ort ermöglicht.