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Construction methods, environmental stressors, and aging factors are the main causes for defects of reinforced concrete in nuclear power plants (NPP). These defects are typically occurred as corrosion of reinforcement steel, delamination, cracks, malfunction of post-tensioning or steel composite systems etc. Some of the challenges for assessing the performance of these structures by nondestructive testing methods (NDT) are that the assessment could be performed only during the annual overhauls when testing is time-limited and uncertainty of the accuracy and reliability of the available NDT testing devices combined with the lack of the international uniformity of the methods used for NDT tests. To overcome these challenges, a mock-up wall representing a section of the concrete containment of the NPP was built. The mock-up wall included simulated defects, which mimic the most common types of defects in NPP concrete structures such as dimensional errors, honeycombing, delamination, defects adjacent to the steel liner and voids in grouted tendon ducts for the post-tensioned structures. This paper introduces the design and construction of the wall including the concrete properties, reinforcement, tendon ducts and the types of the simulated defects. The paper also introduces the NDT methods and techniques that are suitable for assessing the condition of the mock-up wall under the real environmental conditions. These techniques include mechanical methods as rebound hammer, ultrasonic and electromagnetic methods. This mock-up wall will enable to investigate reliably available NDT methods and experts’ skills providing also an important and very much need educational platform for future NDE experts.
The influence of moisture on the reliability of detection of larger voids in brickwork masonry was investigated using three non-destructive techniques: radar, ultrasonic and complex resistivity (CR). Radar and ultrasonic travel time tomography, as well as CR tomography, were performed over a specific cross section of a specimen containing a large void at a known position to determine the influence of different levels of moisture content in the brickwork on the wave velocities and the CR magnitude. We defined a numerical estimator to quantitatively determine the void detection efficiency from the images obtained when exposing the specimen to moisture. The results showed radar to be the most reliable technique for void detection in both dry and wet masonry, while CR performed much better in detecting larger air voids in wet masonry.
Entwicklung einer Bohrlochsonde für Ultraschalluntersuchungen an Abschlussbauwerken in Endlagern
(2021)
Für die Qualitätssicherung von Abschlusswerken für Endlager wird eine Ultraschall-Bohrlochsonde entwickelt. Mithilfe dieser Sonde, die aus einer Vielzahl von einzelnen koppelmittelfreien Ultraschall-Punktkontaktprüfköpfen besteht, soll die Rissfreiheit der Versuchsbauwerke überprüft werden.
Ein erster Prototyp der Sonde wurde mit einem kommerziellen Ultraschallgerät betrieben und bestand aus 12 Transversalwellen-Punktkontaktprüfköpfen von denen jeweils sechs als Sender und sechs als Empfänger parallelgeschaltet waren. Um den erzeugten Schalldruck der Bohrlochsonde zu steigern, wurde bei der Neuentwicklung die Prüfkopfanzahl erhöht und zusätzlich die laufzeitgesteuerte Anregung der einzelnen Prüfköpfe vorgesehen. Für die Anregung der Prüfköpfe mit programmierten Zeitverzögerungen wurde ein neuartiger mehrkanaliger Sender für bipolare Rechtecksignale entwickelt.
Durch die Entwicklung der Bohrlochsonde soll eine dynamische Anpassung der Prüfkopf-Apertur sowie eine Fokussierung des Schallfeldes in Abhängigkeit der zu untersuchenden Tiefe erfolgen. Mithilfe entsprechender Anregungsfunktionen kann das Schallfeld der Bohrlochsonde unterschiedlich geformt werden, z. B. ist auch ein Schwenken des fokussierten Schallbündels möglich. Dadurch wird das erfasste Prüfvolumen begrenzt und auf diese Weise das Signal-Störverhältnis der Empfangssignale verbessert. In Kombination mit SAFT-Rekonstruktionsrechnungen wird durch eine optimierte Abstrahlcharakteristik der Sonde mit einem hohen Schalldruck unter verschiedenen Winkeln eine verbesserte Signalqualität und damit eine erhöhte Aussagesicherheit der Ergebnisse in der Objektabbildung erwartet.
Neue Ultraschall-Messsysteme (LAUS, Bohrlochsonde) haben ihre Funktionstüchtigkeit unter Beweis gestellt. Ergebnisse aus den Messungen konnten verifiziert werden. Standard-Mess- und –Auswerteverfahren müssen für Spritzbeton weiterentwickelt und angepasst werden. Mit sämtlichen Messmethoden konnten großflächige Risse detektiert werden. Messungen mit der Bohrlochsonde und LAUS sind zur Qualitätssicherung geeignet.
Im Jahr 2011 hat der Bundestag in Deutschland den Ausstieg aus der Kernenergie beschlossen. Der angefallene Abfall wird mehr als hunderttausend Jahre eine derartig hohe Aktivität besitzen, dass er eine erhebliche Gefahr für nachfolgende Generationen darstellen kann. Dieser radioaktive Abfall soll in tiefen geologischen Formationen (z.B. Salz, Ton oder Kristallin) sicher endgelagert werden. Die Endlager werden mittels sogenannter geotechnischer Abdichtbauwerke (Schachtbzw. Streckenverschlüsse) verschlossen, wofür u.a. Zement- oder Sorel-basierte Baustoffe (Betone) in Frage kommen. Die Beschreibung des Dichtvermögens dieser Bauwerke ist unabdingbar. In der Forschungsphase werden verschiedene Werkstoffe untersucht und Methoden für die zerstörungsfreie Untersuchung der Bauwerke als Mittel der Qualitätsprüfung entwickelt. Hierbei ist der Nachweis der Rissfreiheit bzw. die Detektion möglicher Risse ein vorrangiges Thema. In den letzten Jahren konnten bereits umfangreiche Erfahrungen mit der Untersuchung von in-situ-Versuchsobjekten in Realmaßstab gesammelt werden. Die Messungen wurden im Endlager für radioaktive Abfälle Morsleben am in-situ-Versuch “Abdichtbauwerk im Steinsalz” und in der Grube Teutschenthal am Großversuch GV2 durchgeführt. Es ist gelungen mit einem neu entwickelten Ultraschall-Messsystem Eindringtiefen bis ca. 9,0 m zu realisieren. Die Messungen mit dem Large Aperture Ultrasonic System in Kombination mit der Rekonstruktion-Methode Synthetic Aperture Focusing Technique zeigen, dass die zerstörungsfreie Prüfung von Abdichtbauwerken möglich und die Nutzung des Messsystems zur Qualitätssicherung bei der Erstellung der Verschlussbauwerke vielversprechend ist.
Keramische Werkstoffe haben auf Grund ihrer herausragenden tribologischen Eigenschaften in verschiedenen Bereichen der Produktion Anwendung gefunden und dadurch klassische Werkstoffe verdrängt. Gegenüber Matallen bieten sie bei Mangelschmierung sowohl unter Gleit- als auch grundsätzlich unter Wälz-beanspruchung Schutz vor adhäsivem Versagen. Hohe Herstellungskosten, bedingt bei der Endbearbeitung von Konturen mit verschiedenen und veränderlichen Radien, behindern die breite Marktdurchdringung. Mit der Modellverschleißprüfung - angelehnt an die DIN 50 324 - kann der bearbeitungsbedingte Einfluss auf das tribologische Verhalten unter Wälzreibung untersucht werden.
Englische Übersetzung von BAM Forschungsbericht 237! Keramische Werkstoffe haben auf Grund ihrer herausragenden tribologischen Eigenschaften in verschiedenen Bereichen der Produktion Anwendung gefunden und dadurch klassische Werkstoffe verdrängt. Gegenüber Metallen bieten sie bei Mangelschmierung sowohl unter Gleit- als auch grundsätzlich unter Wälzbeanspruchung Schutz vor adhäsivem Versagen. Hohe Herstellungskosten, bedingt bei der Endbearbeitung von Konturen mit verschiedenen und veränderlichen Radien, behindern die breite Marktdurchdringung. Mit der Modellverschleißprüfung - angelehnt an die DIN 50 324 - kann der bearbeitungsbedingte Einfluss auf das tribologische Verhalten unter Wälzreibung untersucht werden.
Aktuell wird die Ultraschallechotechnik für Holzbauteile genutzt, indem aus der Abschattung eines ansonsten stabilen Rückwandechos auf Auffälligkeiten im Holzbauteil geschlossen wird. Dabei werden Transversalwellen (Mittenfrequenz 50 kHz) mit der Polarisationsrichtung in Faserrichtung (L) angewendet. In einem 2012 abgeschlossenen Forschungsvorhaben wurde nun die direkte Abbildung von Streuern durch anisotrope SAFT-Rekonstruktion entwickelt.
Dazu werden flächig aufgenommene Ultraschallmessdaten mit automatisiert scannenden Druck- und Scherwellenköpfen erzeugt und auf Basis anisotroper Geschwindigkeitsverteilungen rekonstruiert. Benutzt werden die auch häufig für Beton eingesetzten trocken ankoppelnden Punktkontakt-Prüfköpfe. Da damit auch intensive Wellen an der Oberfläche erzeugt werden, entstehen im Material zusätzliche Kopfwellen, die ebenfalls bei der Rekonstruktion berücksichtigt werden.
Da die Wellengeschwindigkeiten in Holz individuell stark schwanken, wird eine interaktive Auswertetechnik zur Ermittlung der Materialkonstanten benutzt. Für die Messungen werden Druckwellen sowie Scherwellen in zwei Polarisationsrichtungen verwendet. Die Messungen erfolgen sowohl mit automatischen Scannersystemen als
auch mit einem linearen Prüfkopf-Array (kommerziell erhältlicher multistatischer Messkopf). Gezeigt werden Ergebnisse an Bauteilen mit künstlichen und realen Fehlstellen. Das Forschungsprojekt wurde gefördert vom Bundesamt für Bau- und Raumordnung (BBR, Zukunft Bau).
For the closure of radioactive waste disposal facilities engineered barriers- so called “drift seals” are used. The purpose of these barriers is to constrain the possible infiltration of brine and to prevent the migration of radionuclides into the biosphere. In a rock salt mine a large scale in-situ experiment of a sealing construction made of salt concrete was set up to prove the technical feasibility and operability of such barriers. In order to investigate the integrity of this structure, non-destructive ultrasonic measurements were carried out.
Therefore two different methods were applied at the front side of the test-barrier:
1 Reflection measurements from boreholes
2 Ultrasonic imaging by means of scanning ultrasonic echo methods This extended abstract is a short version of an article to be published in a special edition of ASCE Journal that will briefly describe the sealing construction, the application of the non-destructive ultrasonic measurement methods and their adaptation to the onsite conditions -as well as parts of the obtained results. From this a concept for the systematic investigation of possible contribution of ultrasonic methods for quality assurance of sealing structures may be deduced.
Inhalt ist die zerstörungsfreie Detailuntersuchung von Holzbauteilen mit einem dreidimensional abbildenden Ultraschall-Echoverfahren. Das neu entwickelte 3D-Verfahren berücksichtigt den anisotropen Aufbau des Holzes. Die Bildschnitte und Projektionen werden aus flächigen Ultraschallaufnahmen berechnet. Die Messungen erfolgen an Probekörpern sowie an Bauteilen aus der Praxis. In dem Forschungsvorhaben wird die für Holz neue 3D-Rekonstruktionsrechnung verwendet und mit dem Ziel weiterentwickelt, unter Berücksichtigung der anisotropen Struktur des Holzes eine dreidimensional aufgelöste Abbildung von Reflektoren im Inneren der Holzbauteile zu ermöglichen. Damit werden die bisher für Holzbauteile zur Verfügung stehenden Verfahren entscheidend ergänzt, weil nun eine hochgenaue dreidimensionale Abbildung erreichbar ist (Auflösung: 20 mm und besser).
There is a great demand for non-destructive testing methods for quality assurance and to assess the safety and durability of wooden structures. Ultrasonic echo technique with shear waves in the frequency range of 50 kHz is one of those promising methods and is already frequently applied for usual and glued laminated timber. The article describes the development and first results for an imaging method for this purpose. The highly anisotropic properties of the ultrasonic velocity have to be considered. A 3D-SAFT (Synthetic Aperture Focusing Technique) imaging scheme is developed initially for synthetic data resulting from modelling the elastic wave propagation. The main part of the paper describes the experimental validation of this evaluation technique by experimental studies applying automated ultrasonic scanning techniques. 3D ultrasonic imaging results are described for test specimens made from pine and spruce wood. Another object of investigation was a pedestrian bridge made from siberian larch.
Ultrasonic echo technique with shear waves in the frequency rang of 50 kHz is one of the promising methods for assessment of structural timber and is already frequently applied for this purpose. The article summarizes the state of the art of applying echo measurement via linear measurements as well as the development and first results for an imaging method for this purpose. The highly anisotropic properties of the ultrasonic velocity have to be considered. 3 D ultrasonic imaging results are described for the example of a pedestrian bridge made from Siberian larch.
Engineered barriers are a key element to enable safe nuclear waste disposal. One method currently under research for their construction is magnesia concrete applied in a shotcrete procedure. In this study, the ultrasonic echo method is evaluated as a means for quality assurance. Imaging of internal structures (backwall, boreholes) and defects, such as delamination, has successfully been achieved in the shotcrete. Additionally, detailed information about the potential cause of selected reflectors are obtained by phase analysis. In several test blocks of various sizes, no consistent concrete section boundaries have been found by ultrasonic imaging, which was verified by subsequent drilling and complementary tests. An experiment with artificial defects imitating cracks, air-filled voids, and material with lower density has been challenging and shows the limitations of the current methods. Although significant defects, such as a large delamination, are reliably identified, several smaller defects are not identified. Generally, ultrasonic imaging provides a suitable base as a mean for quality assurance during and after the construction of sealing structures. However, further developments are required to enhance the reliability of the method and a full validation is still pending. Still, the method has potential to increase the safety of nuclear waste repositories.
Underground sealing structures are necessary to seal radioactive or toxic waste in underground repositories. A special version of MgO concrete is used in the mine in Teutschenthal and applied at a large-scale test with the aim to provide a low permeability barrier. The test structures (up to 10 m long) were created by shotcreting. Besides destructive tests, non-destructive ultrasonic measurements have been evaluated for quality assurance to monitor potential anomalies such as cracks, concrete inhomogeneities, and delamination. We show results of ultrasonic measurements with a multi-transducer system used at the front and from the side of the concrete structure. Images are obtained by synthetic aperture focusing techniques. The boundaries between concreting sections are not visible in the ultrasonic images systematically so that a successful concreting is assumed, which is confirmed by the low permeabilities observed. Several reflectors up to a depth of 1.2 m are identified and interpreted as potential damages in the concrete. Phase analysis of prominent reflectors reveal a negative impedance contrast thus indicating air filled voids, cracks or delamination. Boreholes through some of the identified reflectors are used to verify the results from ultrasonic measurements. Additionally, an experiment with incorporated artificial defects was undertaken to analyse the reliability of the applied methods. Overall, the conducted tests show the potential of ultrasonic measurements to detect critical anomalies. Despite challenges at small-scale structures (cm-order), large-scale anomalies can be identified. Consequently, implementing ultrasonic monitoring during and after the construction of concrete sealing structures has shown its potential as a tool for quality assurance, but needs further development and validation.
Der Einfluss des E-Moduls und des Grundöls auf das Wälzverhalten von DLC- und Diamantbeschichtungen
(2005)
Entwicklung einer Bohrlochsonde für Ultraschalluntersuchungen an Abschlussbauwerken in Endlagern
(2021)
Für die Qualitätssicherung von Abschlusswerken für Endlager wird eine Ultraschall-Bohrlochsonde entwickelt. Mithilfe dieser Sonde, die aus einer Vielzahl von einzelnen koppelmittelfreien Ultraschall-Punktkontaktprüfköpfen besteht, soll die Rissfreiheit der Versuchsbauwerke überprüft werden.
Ein erster Prototyp der Sonde wurde mit einem kommerziellen Ultraschallgerät betrieben und bestand aus 12 Transversalwellen-Punktkontaktprüfköpfen von denen jeweils sechs als Sender und sechs als Empfänger parallelgeschaltet waren. Um den erzeugten Schalldruck der Bohrlochsonde zu steigern, wurde bei der Neuentwicklung die Prüfkopfanzahl erhöht und zusätzlich die laufzeitgesteuerte Anregung der einzelnen Prüfköpfe vorgesehen. Für die Anregung der Prüfköpfe mit programmierten Zeitverzögerungen wurde ein neuartiger mehrkanaliger Sender für bipolare Rechtecksignale entwickelt.
Durch die Entwicklung der Bohrlochsonde soll eine dynamische Anpassung der Prüfkopf-Apertur sowie eine Fokussierung des Schallfeldes in Abhängigkeit der zu untersuchenden Tiefe erfolgen. Mithilfe entsprechender Anregungsfunktionen kann das Schallfeld der Bohrlochsonde unterschiedlich geformt werden, z. B. ist auch ein Schwenken des fokussierten Schallbündels möglich. Dadurch wird das erfasste Prüfvolumen begrenzt und auf diese Weise das Signal-Störverhältnis der Empfangssignale verbessert. In Kombination mit SAFT-Rekonstruktionsrechnungen wird durch eine optimierte Abstrahlcharakteristik der Sonde mit einem hohen Schalldruck unter verschiedenen Winkeln eine verbesserte Signalqualität und damit eine erhöhte Aussagesicherheit der Ergebnisse in der Objektabbildung erwartet.
Muon Tomography of the Interior of a Reinforced Concrete Block: First Experimental Proof of Concept
(2021)
Quality assurance and condition assessment of concrete structures is an important topic world-wide due to the aging infrastructure and increasing traffic demands. Common topics include, but are not limited to, localisation of rebar or tendon ducts, geometrical irregularities, cracks, voids, honeycombing or other flaws. Non-destructive techniques such as ultrasound or radar have found regular, successful practical application but sometimes suffer from limited resolution and accuracy, imaging artefacts or restrictions in detecting certain features. Until the 1980s X-ray transmission was used in case of special demands and showed a much better resolution than other NDT techniques. However, due to safety concerns and cost issues, this method is almost never used anymore. Muon tomography has received much attention recently. Novel detectors for cosmic muons and tomographic imaging algorithms have opened up new fields of application, such as the investigation of freight containers. Muon imaging also has the potential to fill some of the gaps currently existing in concrete NDT. As a first step towards practical use and as a proof of concept we used an existing system to image the interior of a reference reinforced 600 kg concrete block. Even with a yet not optimized setup for this kind of investigation, the muon imaging results are at least of similar quality compared to ultrasonic and radar imaging, potentially even better. The data acquisition takes more time and signals contain more noise, but the images allowed to detect the same important features that are visible in conventional high energy X-ray tomography. In our experiment, we have shown that muon imaging has potential for concrete inspection. The next steps include the development of mobile detectors and optimising acquisition and imaging parameters.
Ultrasonic methods are used in concrete investigations since decades. While being limited to transmission testing in the laboratory for a while, in-situ echo measurements for structural investigations and condition assessment have made their way into practical application in the past 20 years. However, several challenges remain. On one side, there are technical issues as limitations in depth of penetration, resolution and imaging capabilities. On the other side there are still gaps in validation, standardization and certification, which are limiting the applicability in condition/load capacity assessment.
This review reports a couple of developments which will help to overcome these issues. This includes technical developments as new devices which are easier to handle on site or giving a much deeper penetration depth (e.g. the LAUS device at BAM) as well as improvements in imaging by hardware update (e. g. air coupled ultrasound or coded signals) or new software (e. g. RTM imaging). To foster the application in real world projects we are as well working on standardization by developing new reference specimen with international partners which will ensure world-wide comparability of ultrasonic and other methods and quality assurance codes. Further, non-destructive methods are being used to update probabilistic models used for the reassessment of existing structures to support the structural engineer’s decisions.