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Organisationseinheit der BAM
Utilization of coherent phase information in complex wave fields forms the basis of interferometric time series analysis. The concept is known since decades, but until about 15 years ago there have been no practical implementations. Meanwhile seismic interferometry is used in a wide range from investigations of the earth’s deep crust to engineering applications. Focused on monitoring and imaging the MIIC (Monitoring and Imaging based on Interferometric Concepts) project as part of the German GeoTechnologien program has contributed to this development. Special attention was given to the transfer of methodology to different length scales that range from centimeters, in laboratory applications, over geotechnical scales to even kilometers in seismological applications. General purpose methods and open source software was developed, which can be used on all scales. The core of the MIIC software is a Python library organized in different modules for various processing tasks. A graphical user interface facilitates the creation of processing routines by visualizing connections and dependencies of variables and by checking the consistency of data types. Example applications have included carbon sequestration, salt mine and railroad embankment monitoring as well as imaging changes in concrete constructions.
Concrete structures are invaluable assets to a society and managing them efficiently and effectively can be supported by information gathered through structural health monitoring (SHM). In this paper, a combined approach based on passive, i.e., acoustic emission (AE), and active, i.e., ultrasonic stress wave (USW) monitoring techniques for application to concrete structures is proposed and evaluated. While AE and USW are based on the same underlying physics, i.e., wave motion in solids, they differ fundamentally with respect to the nature of the source. For the former, external stimuli such as mechanical loads or temperature cause the rapid release of energy from initially unknown locations. As a result, AE events are unique and cannot be repeated. For the latter, a known source at a known location is employed at a specified time. This approach is thus controlled and repeatable. It is
argued that a combination of these two techniques has the potential to provide a more comprehensive picture of ongoing fracture processes, damage progression, as well as slowly occurring aging and degradation mechanisms.
This combined approach does thus promise new opportunities to support condition assessment of concrete structures. After providing an overview and comparison of the two techniques, results, and observations from a full-scale laboratory experiment and an in-service bridge monitoring study are discussed to demonstrate the promise of the proposed combined monitoring approach. Finally, suggestions for further work are presented.
In earthquake-prone regions such as the Pacific Northwest, damage assessment tools are needed to enable safety evaluations to support recovery. Currently, damage assessment is performed primarily by visual inspection and is often impossible for structural members that are inaccessible, such as deep foundations or interior members hidden by cladding. This study explores the possibility of using embedded ultrasonic transducers to monitor reinforced concrete members for damage progression under earthquake loading. A novel methodology is proposed where changes in the member condition due to an increase in the earthquake-type loading of a full-scale column-foundation specimen are correlated with changes in the recorded ultrasonic waveforms. The discussed preliminary analysis of the ultrasonic signals is based on wave propagation velocity, changes in the coda wave portion, and maximum amplitude of the signals. Three embedded transducers were used to continuously monitor the laboratory specimen during destructive testing. This paper provides an overview of the proposed methodology, outlines the laboratory experiment, and discusses some preliminary observations.
A new type of ultrasonic borehole probe is currently under development for the quality assurance of sealing structures in radioactive waste repositories using existing research boreholes. The goal is to examine the sealing structures made of salt concrete for possible cracks, delamination, and embedded objects. Earlier prototype probes use 12 or 16 individual dry point contact (DPC) horizontal shear wave transducers grouped into a transmitter and a receiver array, each made up of six or eight individual transducers. They are operated with a commercially available portable ultrasonic flaw detector used in the civil engineering industry. To increase the generated sound pressure of the borehole probe, the number of transducers in the novel probe is increased to 32. In addition, timed excitation of each probe is used to direct a focused sound beam to a specific angle and distance based on calculated time delays. Hence, the sensitive test volume is limited, and the signal-to-noise ratio of the received signals is improved. This paper presents the validation of the newly developed phased array borehole probe by beam computation in CIVA software and experimental investigations on a semi-cylindrical test specimen to investigate the directional characteristics. In combination with geophysical reconstruction techniques, an optimised radiation pattern of the probe is expected to improve the signal quality and thus increase the reliability of the imaging results.
This is of great importance for the construction of safe sealing structures needed for the disposal of radioactive or toxic waste.
Coda Wave Interferometry (CWI), a method to evaluate subtle changes of elastic wave velocity in a medium, has been proven to be effective to detect small changes or ultrasonic velocity in concrete caused by load, temperature, moisture, damage or other means. While classical CWI is just able to determine velocity changes globally in relatively large areas between and around pairs of transmitters and receivers, several approaches have been proposed to identify the area affected by the changes more precisely. Most of them are based on the calculation of sensitivity kernels for de-correlation of signals measured at a specific state against a reference. Others follow simplified approaches. In a laboratory setup a concrete specimen of 1:5 x 1:5 x 0:5 m3 was compressed at a certain point. Maximum loads of 20 to 100 kN have been applied in 5 to 10 kN steps in various cycles. The specimen is equipped with 18 embedded ultrasonic broadband piezo transceivers (60 kHz central frequency). Ten of these receivers have been connected to a multiplexer and ultrasonic transmitting and receiving equipment in a way that allowed almost continuous two way measurements between all sensor pairs. Even simple ways to evaluate the data (e.g. crosscorrelation between signals at different load states) allowed pinpointing the load center at least approximately. A more detailed data evaluation either using CWI or even more one of the more sophisticated localization algorithms gave “sharper” results in terms of localization and a better correlation between load and velocity change/de-correlation. The results are used in upcoming monitoring systems for concrete structures.
Ultraschall-Transmissionsmessungen werden seit Jahrzehnten bei der Qualitätssicherung von Betonkonstruktionen eingesetzt. Aus den Wellengeschwindigkeiten lassen sich dynamische Elastizitätsmoduln und – nach lokaler Kalibrierung – auch Druckfestigkeiten ermitteln. Zudem ergeben sich Hinweise auf Risse und andere Materialschwächungen. Der Einsatz erfolgt vor allem im Labor oder an der Bauwerksoberfläche. Neuerdings werden auch Monitoringsysteme mit eingebetteten Sensoren auf Ultraschallbasis erfolgreich getestet. Die Talsperre Eibenstock dient als größte Sperre in Sachsen der Trinkwasserversorgung und dem Hochwasserschutz. Hier wurden während der Bauphase im Jahr 1979 im Fußbereich des Mauerkörpers Ultraschallsensoren eingebracht, die in Verbindung mit einem Messoszilloskop eine Überwachung der Erhärtung des Mauerbetons ermöglichten.
Der für die Sensorauswahl eingesetzte Messstellenumschalter wurde im September 2011 grundlegend instand gesetzt. Danach zeigte sich, dass die eingebetteten Sensoren selbst sowie die Verkabelung auch nach über fünfunddreißig Jahren in einwandfreiem Zustand sind. Eine nunmehr aufgelegte Messserie mit modernem Gerät von über einem Jahr mit ein- bis zweimonatigen Intervallen zeigte, dass die Wellengeschwindigkeit seit der Bauphase noch einmal um gut 10 % zugenommen hat, was für eine erhöhte Druckfestigkeit spricht. Innerhalb des Jahres zeigten sich auch bei Einsatz neuer, sehr sensibler Auswertemethoden (sog. Codawelleninterferometrie) nur geringfügige Schwankungen. Diese waren auch nicht zu erwarten, da sich die Füllhöhe zu den Messzeitpunkten nur gering unterschied, die Temperatur im Bauwerksinneren nur wenig schwankte und der Bauwerkszustand sehr gut ist.
Die Aussagen zur Betongüte sind direkt vergleichbar mit den früheren Mess- und Untersuchungsergebnissen an der Talsperre Gottleuba, die im gleichen Zeitraum errichtet wurde und ebenfalls mit einem Ultraschallsystem ausgerüstet war. Die Experimente zeigten, dass ein Einsatz von Ultraschallsystemen für die Bauwerksüberwachung auch über Jahrzehnte möglich ist. Dies war im vorliegenden Fall nie geplant, aber durch den Einsatz der Mitarbeiter vor Ort und der Herstellerfirma möglich. Bei zukünftigen Systemen ist eine langfristige Planung unter Einbeziehung aller Beteiligten sowie eine Einbindung in Überwachungs- und Wartungspläne notwendig, damit die qualitätsgesichert gewonnen Daten gewinnbringend genutzt werden können.
Die B1 Brücke am Altstädter Bahnhof in Brandenburg an der Havel wurde im Dezember 2019 aufgrund von während einer turnusmäßigen Inspektion entdeckten Rissen und Hohlstellen entlang der vorgespannten Längsträger gesperrt und im Mai 2021 abgebrochen. In der Zwischenzeit wurde die Brücke detailliert überwacht. Vor dem Abriss wurden zudem umfangreiche Untersuchungen zur Bestandsaufnahme und Schadensanalyse sowie Tests moderner Sensorik vorgenommen. Dabei konnte sowohl die richtige, zuvor nicht sicher bekannte Anzahl von Spanngliedern in den Querträgern sicher ermittelt werden als auch durch moderne Varianten der Schwingungsmessungen und der faseroptischen Sensorik zusätzliche Kenntnisse püber das Bauwerksverhalten ermittelt werden . In dem Beitrag werden die Verfahren mit ihren Möglichkeiten und Grenzen vorgestellt, die Ergebnissee an der Brücke in Brandenburg erläutert und zukünftige Einsatzmöglichkeiten diskutiert.
Informationen zu in Betonbauteilen stattfindenden Umlagerungsprozessen sowie Druckspannungsverteilungen können mit konventioneller Messtechnik bislang nicht zweifelsfrei beantwortet werden. Ultraschallmessungen mit eingebetteten Sensoren könnten hier eine sinnvolle Ergänzung zur konventionellen Messtechnik sein. Durch Einsatz der Codawelleninterferometrie (CWI) sind hiermit schon sehr kleine Änderungen im Material detektierbar.
Um diese neue Methodik zu evaluieren, wurde das Forschungsprojekt „Querkrafttragfähigkeit von Spannbetonbrücken – Erfassung von Spannungszuständen in den Spannbetonversuchsträgern mit Ultraschallsensoren“ durch die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) initiiert. In diesem Projekt wurden durch die Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) Ultraschall-Transducer in mehrere Spannbetonträger des Instituts für Massivbau der RWTH Aachen eingebettet, die anschließend bis zum Bruch belastet wurden.
Der Belastungsversuch an einem der Spannbetondurchlaufträger zeigte das große Potential dieser Methodik. Die im Netzwerk erfassten Änderungen der Ultraschallwellengeschwindigkeit geben die Spannungsverhältnisse im Längsschnitt des Trägers schon bei sehr niedrigen Belastungen qualitativ richtig wieder und zeigen bei hohen Belastungen eine gute Korrelation zum Rissbild. Dabei weisen räumliche Anomalien und Änderungen in der Charakteristik der Geschwindigkeitsänderungen oft schon auf Rissbildung hin, wenn diese noch nicht an der Oberfläche sichtbar ist. Dies zeigt das Potential im Hinblick auf eine Frühwarnung. Hierfür und ebenso in Bezug auf eine Quantifizierung der Effekte ist aber noch Entwicklungsarbeit notwendig. Ein Vorteil der Methodik ist, dass die Transducer nicht direkt am Ort der Änderung platziert werden müssen und einen relativ großen Bereich um die Transducer herum erfassen.
Die Überwachung von Bauteilen aus Stahl- oder Spannbeton mit Ultraschall hat in Labor- und Technikumsversuchen schon vielversprechende Ergebnisse gezeigt. Besonders gute Resultate wurden dabei mit eingebetteten Ultraschalltrans-ducern und bei Auswertung der Daten mit der hochsensiblen Codawelleninterferometrie erzielt. Erfasst werden können neben Temperatur- und Feuchteeffekten auch Belastungszustände und jegliche Art von Schädigung, die mit Mikro- oder Makrorissbildung einhergeht.
Seit 2019 untersucht die DFG-Forschergruppe 2825 „CoDA“ (Sprecher: Prof. Christoph Gehlen, TU München) ver-schiedenste Aspekte dieser innovativen Technologie mit dem Ziel, Einflussgrößen quantitativ zu erfassen, Umweltein-flüsse zu korrigieren und 3D-Auswerteverfahren zu verbessern. Final soll eine am Bauwerk einsatzfähige Methode ent-stehen, die klassische Monitoringverfahren ergänzt und erweitert sowie Input zu einem Update des statischen Systems liefert.
Aufgaben der BAM in der Forschergruppe ist neben Verbesserung und Adaptierung der Messsystem und Sensorik auch Langzeitversuche an einem Großobjekt und Testinstallationen an Realbauwerken. Hierzu liegen erste Ergebnisse vor, die zeigen, dass die Technologie auch außerhalb des Labors einsatzfähig ist.
The propagation of ultrasonic waves in concrete is affected by its micro- and macro-structure, geometry and properties as well as external influences as stress, temperature or moisture. In addition, age and degradation have a strong influence. Therefore, Ultrasound has been used to monitor concrete samples and structures since decades. However, early applications using conventional techniques as time-of flight or changes in amplitudes have been limited to detect changes in a late stage close to serviceability or ultimate load states.
Around 2000, several new, more sensitive techniques adopted from geophysics or other field of material sciences have been introduced to research in ultrasonic monitoring of concrete. The most discussed methodologies are coda wave interferometry, a technique which allows to detect very subtle changes from repeated ultrasonic measurements. Nonlinear acoustic techniques help to identify e. g. cracks even in an inhomogeneous background. Both techniques can be combined.
This paper reviews methods and results achieved so far on the laboratory scale and with full scale models the directions for future research and application is given as well.