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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.
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.
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.
Acoustic emission and ultrasonic monitoring of a prestressed concrete bridge in its final years
(2021)
Many European bridges built in the 1950s, 60s and 70s must be re-placed in the next decade due to structural deficiencies, insufficient load capacity or other issues. However, the existing bridges must be used for another couple of years even if flaws and damages already have been detected.
In Germany, several prestressed concrete bridges have been instrumented with acoustic emission detection systems to detect wire breaks and to provide early warning signs before failure. To evaluate and interpret the consequences of wire breaks additional instrumentation and accompanying measures as finite element modeling are required.
At a bridge in southern Germany we have complemented such a system with active ultrasonic monitoring. Repeated ultrasonic measurements are evaluated with a very sensible algorithm called coda wave interferometry. This method, inspired by seismology, has been shown to deliver early warning signs in lab experiments. Large volumes of concrete can be monitored with a limited network of ultrasonic transducers. We will report on the installation, capabilities, and lim-itations as well as first results.
Fatigue is one of the most prevalent issues, which directly influences the service life expectancy of concrete structures. Fatigue has been investigated for years for steel structures. However, recent findings suggest that concrete structures may also be significantly subjected to fatigue phenomena that could lead to premature failure of certain structural elements. To date, fatigue of reinforced concrete has been given little focus. Knowledge on the influence factors and durability/capacity effects on this material should be improved. Current technological means to measure fatigue in civil structures like bridges and wind turbines (both onshore and offshore) are outdated, imprecise and inappropriate.
Meanwhile, this topic has got much more attention as time-variant loading on concrete structures plays an increasing role, e.g. in bridges with increasing traffic and heavier trucks, and for wind turbines for renewable energy production, e.g. for offshore wind turbine support structures affected by wind and waves.
The European Innovative Training Networks (ITN) Marie Skłodowska-Curie Actions project INFRASTAR (Innovation and Networking for Fatigue and Reliability Analysis of Structures - Training for Assessment of Risk) provides research training for 12 PhD students. The project aims to improve knowledge for optimizing the design of new structures as well as for more realistic verification of structural safety and more accurate prediction of the remaining fatigue lifetime of existing concrete structures.
First, the INFRASTAR research framework is detailed. Then it will be exemplified through the presentation of the major results of the four PhD students involved in the work package dealing with auscultation and monitoring. This includes the development and improvement of Fiber Optics (FO) and Coda Wave Interferometry (CWI) for crack sizing and imagery, new sensor technologies and integration, information management, monitoring strategy for fatigue damage investigation and lifetime prediction.
Recent years have seen extended use of ultrasonic techniques for concrete infrastructure assessement. They are applied for quality assurance and condition assessement at bridges, power plants, dams and other important objects. However, there are still a couple of significant limitations. They include, but are not limited to depth of penetration, imaging complex structures or early stage detections of distributed damage. The talk will give information on recent research in this area. Specifically, the application of the unique deep penetration system LAUS is shown. Ultrasonic monitoring using embedded transducers to check for subtle and sudden changes in the material is introduced as well. Comments on initiatives for validation, standardization and certification will be given.
Concrete is known to be a very useful, flexible and durable construction material. However, due to excess load, fatigue, chemical processes, freeze-thaw or reinforcement corrosion concrete may suffer from degradation. If detected too late, repair is difficult and expensive.
The propagation of ultrasonic waves is influenced by changes in the properties and structure of the material, including, but not limited to, stress, temperature, moisture content and microcracking. Ultrasonic velocieties thus may serve as indicators for structural health. Traditional ultrasonic methods as transmission time of flight measurements are used since decades, but are not sensible enough to show subtle changes. Coda Wave Interferometry (CWI), originally developed in seismology to detect stress changes in the earth's crust uses the information in the late part of ultrasonic signals originating from multiple reflections and scattering. Since a few years it is used by several researchers for lab experiments on concrete.
Meanwhile specialized sensors to be embedded in concrete have been developed. We have conducted several lab and a few field experiments, which will be reported here. The capabilities and limitations of CWI are summarized.
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.
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.
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.