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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.
To provide better means for a safe and effective monitoring of cemented waste packages including prediction tools to assess the future integrity development during pre-disposal activities, several digital tools are evaluated and improved in the frame of the EC funded project PREDIS. Safety enhancement (e. g. less exposure of testing personnel) and cost effectiveness are part of the intended impact.
The work includes but is not limited to inspection methods such as muon imaging, wireless sensors integrated into waste packages as well as external package and facility monitoring such as remote fiber optical sensors. The sensors applied will go beyond radiation monitoring and include Proxy parameters important for long term integrity assessment (e. g. internal pressure). Sensors will also be made cost effective to allow the installation of much more sensors compared to current practice.
The measured data will be used in digital twins of the packages for specific simulations (geochemical, integrity) providing a prediction of future behavior. Machine Learning techniques trained by the characterization of older packages will help to connect the models to the actual data.
All data (measured and simulated) will be collected in a joint data base and connected to a decision framework to be used at actual facilities.
The presentation includes detailed information about the various tools under consideration, their connection and first results of our research.
This contribution introduces an investigation of a large-scale prestressed concrete bridge model (“BLEIB” structure at the BAM-TTS open air test site) by means of on-site cooperative measurements. This bridge has an external post-tensioning system and has been instrumented with the ultrasonic transducers, temperature sensors and optical fibers for Distributed Acoustic Sensing (DAS). Our experiment was designed to test the suitability of the novel 6C sensors developed within the framework of the GIOTTO project – the IMU50. The IMU50 sensor enables vibration measurements in translation along three axes and rotation around three axes. The geophone sensors were considered for complementary measurements of vertical velocity response. In the experiment, several perturbations were achieved by controlling the external influence factors such as loading and prestressing changes. The aim of the integrated measurement strategy was to fully observe the results of the condition change and to verify the effectiveness of multiple sensors for bridge monitoring.
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.
Presentation on recent progress in ultrasinic testing and monitoring of concrete for massive structures. First, a new instrument (LAUS) for ultrasonic echo testing of thicknesses up to 5 m is shown. A new method to provide better images of the concrete interior, Reverse Mitem Migration (RTM)is presented. Second, the use of embedded ultrasonic transducers and data processing methods borrowed from seismology to detect subtle changes in concrete are documented.
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 presentation will give an overview on non-destructive testing techniques being developed at the Federal Institute for Materials Research and Testing, Germany (BAM). This includes ultrasonic methods, ground penetration radar, Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS), infrared thermography, pile testing, sensor technology and building scanner. A focus of the talk will be ultrasonic methods, which are well established in various aspects of concrete testing. They are used for imaging the interior geometry of constructions, estimation of concrete strength or monitoring lab investigations. However, so far the detection of distributed damages, especially in an early stage, has been almost impossible. The arrival of new technologies as embedded transducers and sensitive data processing techniques adopted from seismology has opened new field of work. Recent research has been focused to detect changes in concrete elements induced by stress, temperature, moisture or chemical attacks by permanent monitoring. Techniques as Coda Wave Interferometry can resolve changes in ultrasonic velocity in the order of 1*10-5. In addition, many researchers believe that the investigation of nonlinear effects can be used to characterize damages. The presentation will give a wrap up of ultrasonic techniques currently used in practice. This will include echo based methods as multi-channel/multi-offset imaging of structural elements using commercial and prototype devices. Imaging methods as SAFT and RTM will be shortly discussed. The focus will be on the emerging techniques used for monitoring. New types of sensors will be presented as well as the devices used in laboratory and field applications. Insight will be given on the various influence factors on ultrasonic signals and various ways of feature extraction and data processing. The results of lab experiments will be shown to demonstrate the detection of various kind of damages from mechanical load, ASR, corrosion to fatigue. The experiences with our first installations in real constructions (bridges, tunnel) will also be presented.
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.
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.