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Seismic wave velocities are related to elastic moduli and other properties and can serve as indicators for changes in the material. They are conventionally determined by active measurements. Using ideas from seismic interferometry Determination from stacked cross-correlations of registrations of man- made and natural noise (“passive seimics“) is an effective alternative, as these data might be available from vibration monitoring anyway. The validity of this approach is demonstrated by a simple experiment based on recordings of man made noise using accelerometers at the reference structure. The s-wave (or more probable. guided wave) velocity was determined to be 2100 m/s in both active and passive experiments.
Foundations
(2017)
Die Coda transmittierter Ultraschallsignale in Beton enthält Informationen zu Struktur und Zustand des Materials bzw. deren Änderung. Relevant sind u. a. Temperatur, Stress, Feuchtigkeit und verschiedene Schädigungsmechanismen. Die zahlreichen Einflussfaktoren sind nur schwer zu trennen und die Messeffekte oft zu Beginn sehr klein.Die CWI ermöglicht die Detektion kleinster Geschwindigkeitsveränderungen durch den Vergleich, der in kleinen Schritten gestauchten oder gestreckten Signalen mit eine Referenzmessung. Andere Indikatoren für Änderungen im Material sind:
• Kreuzkorrelation
• Laufzeit direkte Welle
• Energie/Amplitude
• Änderungen im Frequenzspektrum
Die beschriebene Technik wird von uns bisher primär in klein- und großskaligen Laborversuchen genutzt. Die Forschung konzentriert sich auf die Untersuchung und Trennung verschiedener Einflusseffekte. Aber auch erste reale Bauwerke wurden schon instrumentiert, z. B. Brücken und eine Tunneldecke.
Das Ultraschall-Echo-Verfahren ist eine wichtige Methode der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP). Prüfaufgaben im Bauwesen beinhalten unter anderem die korrekte Dickenbestimmung von Konstruktionen, sowie die Lokalisierung von Einbauteilen und Fehlstellen. Das Abbildungsverfahren RTM (Reverse Time Migration) liefert oft bessere Bilder als konventionelle Verfahren. Die Datenaufnahme am Betonprobekörper erfolgte mit einem Scannersystem der BAM, bei dem jeweils ein Ultraschall-Prüfkopf als Sender bzw. Empfänger diente. Es wurden senkrecht zur Profilrichtung horizontal polarisierte Scherwellen genutzt. Die RTM wurde mit dem Softwarepaket Madagascar gerechnet.
Die Ergebnis zeigt das Potential dieser Methode im Bezug auf komplexe Strukturen. Die lateralen Positionen der Risse im RTM-Bild sowie deren Höhe innerhalb des Probekörpers, entsprechen recht genau dem visuellen Befund.
Ultrasonic echo testing is widely used in non-destructive testing in civil engineering to investigate concrete structures, to measure thickness, and to locate and characterise built-in components or inhomogeneities. Currently, synthetic aperture focusing techniques are mostly used for imaging. These algorithms are highly developed but have some limitations. For example, it is not possible to image the lower boundary of built-in components like tendon ducts or vertical reflectors. We adopted reverse time migration for non-destructive testing in civil engineering in order to improve the imaging of complicated structures in concrete. By using the entire wavefield, including waves reflected more than once, there are fewer limitations compared to synthetic aperture focusing technique algorithms. As a drawback, the required computation is significantly higher than that for the techniques currently used.
Simulations for polyamide and concrete structures showed the potential for non-destructive testing. The simulations were followed by experiments at a polyamide specimen. Here, having acquired almost noise-free measurement data to test the algorithm, we were able to determine the shape and size of boreholes with sufficient accuracy. After these successful tests, we performed experiments at a reinforced concrete foundation slab. We obtained information from the data by reverse time migration, which was not accessible by traditional imaging. The imaging of the location and structure of the lower boundary of the concrete foundation slab was improved. Furthermore, vertical reflectors inside the slab were imaged clearly, and more flaws were found. It has been shown that reverse time migration is a step forward in ultrasonic testing in civil engineering.
Zusammenfassung Im Rahmen eines Forschungsvorhabens an der RWTH Aachen wurden mehrere Spannbetondurchlaufträger bis zum Versagen belastetet. Neben umfangreicher konventioneller Messtechnik wurden zusätzlich innovative Messmethoden durch die Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung (BAM) getestet. Darunter waren eingebettete Ultraschall-Transducer, deren Daten mit einer neuartigen Methode, der Codawelleninterferometrie (CWI), ausgewertet wurden. Dieses Verfahren detektiert auch kleinste Änderungen im Signal und in der Wellengeschwindigkeit gegenüber einer Referenzmessung. Hiermit können Belastungs- und Strukturänderungen sowie Schäden sehr viel sensibler angezeigt werden als bei konventionellen Ultraschallmessungen. Durch eine Modifikation des Verfahrens mit gleitender Referenz können aber auch starke Veränderungen im Material, wie sie bei Bruchversuchen auftreten, erfasst werden. In den Versuchen gelang es mit Netzwerken aus bis zu 20 Ultraschall-Transducern, Spannungskonzentrationen und Rissbildungen qualitativ zu detektieren und zu verfolgen, ohne dass die Sensoren direkt am Ort der Änderung angebracht sein müssen.
Vor einer geplanten Weiter- oder Wiedernutzung von Bestandsfundamenten stellt sich die Frage nach deren Lage, Geometrie und Zustand im Untergrund. Hierfür gibt es verschiedene Prüfverfahren. Im Projekt REFUND (2014-2016) wurden unter Berücksichtigung der aktuellen Normen und des Standes der Technik Ablaufdiagramme für die Planung der Wiedernutzung und die Untersuchung des Bestandes entwickelt. Dies geschah getrennt für Einzel- und Streifenfundamente, Platten und Pfähle. An zwei Praxisbeispielen wurden die Abläufe getestet und optimiert. Die Ergebnisse wurden in einem Handbuch kompiliert, das bei der TU Darmstadt erscheint.
This paper presents a novel non-destructive testing and health monitoring system using a network of tactile transducers and accelerometers for the condition assessment and damage classification of foundation piles and utility poles. While in traditional pile integrity testing an impact hammer with broadband frequency excitation is typically used, the proposed testing system utilizes an innovative excitation system based on a network of tactile transducers to induce controlled narrow-band frequency stress waves. Thereby, the simultaneous excitation of multiple stress wave types and modes is avoided (or at least reduced), and targeted wave forms can be generated. The new testing system enables the testing and monitoring of foundation piles and utility poles where the top is inaccessible, making the new testing system suitable, for example, for the condition assessment of pile structures with obstructed heads and of poles with live wires. For system validation, the new system was experimentally tested on nine timber and concrete poles that were inflicted with several types of damage. The tactile transducers were excited with continuous sine wave signals of 1 kHz frequency. Support vector machines were employed together with advanced signal processing algorithms to distinguish recorded stress wave signals from pole structures with different types of damage. The results show that using fast Fourier transform signals, combined with principal component analysis as the input feature vector for support vector machine (SVM) classifiers with different kernel functions, can achieve damage classification with accuracies of 92.5% ± 7.5%.
Vor einer geplanten Weiter- oder Wiedernutzung von Bestandsgründungen stellt sich die Frage nach deren Lage, Geometrie und Zustand im Untergrund. Hierfür gibt es verschiedene Prüfverfahren. Die Abläufe bei Planung und Prüfung sind jedoch bisher nicht standardisiert und die Möglichkeiten bzw. Grenzen der Prüfverfahren den Planern wenig bekannt. Im Forschungsprojekt REFUND (2014–2016) wurden unter Berücksichtigung der aktuellen Normen und des Stands der Technik Ablaufdiagramme für die Planung der Wiedernutzung sowie die Untersuchung des Bestands entwickelt.
Dies geschah getrennt für Einzel- und Streifenfundamente, Platten und Pfähle. An zwei Praxisbeispielen wurden die Abläufe getestet und optimiert. Die Ergebnisse wurden in einem Handbuch zusammengefasst. Es soll Planer und andere Verantwortliche bei der wirtschaftlich und technisch optimierten Durchführung von Wiedernutzungsprojekten unterstützen.
Im rahmen des themenfeldprojektes LEBEWIND wurden Vorversuche zur Ultraschallprüfung von Groutverbindungen an Offshore-Windenergieanlagen gemacht. Die Experimente mit kommerzieller Prüftechnik in Echo und Transmission durch die Stahlwandung hindurch bestätigten, dass diese Bauweise so nicht prüfbar ist.
Modern geophysical methods might be either directly applied to concrete structures or integrated into existing testing schemes to assist in quality assurance and inspections. This paper gives an overview on some ideas and developments from the author’s work:
• Vibrator technologies to improve pile integrity testing.
• Ideas from vertical seismic profiling used in multichannel pile inspection
• Cross- and downhole seismics to check the diameter of jet grouting columns
• Improving the parallel seismic methods for precise length measurement of piles and foundation walls
• Seismic migration methods to improve ultrasonic imaging of foundation slabs
• Seismological tools to monitor subtle changes in concrete constructions
The authors strongly believe that the cooperation between geophysics and civil engineering, which is obviously becoming stronger and stronger, will lead to a large number of innovative approaches.
Ein Ultraschallsystem mit großer Apertur, genannt LAUS – Large Aperture UltraSound, wird vorgestellt und die technischen Eigenschaften erläutert. Es besteht aus zwölf Prüfköpfen, die beliebig auf Betonoberflächen mit Unterdruck befestigt und jeweils als Sender oder Empfänger genutzt werden. Alle möglichen Kombinationen ergeben 132 Einzelmessungen, die zur Rekonstruktion des durchschallten Volumens genutzt werden. Das System wurde an zwei Bauwerken erfolgreich erprobt. Die Dicke einer sehr stark bewehrten Fundamentplatte eines Fallturms wurde bestimmt. Die Messungen erfolgten in einem Raster auf einer Fläche von 2,0 × 1,8 m2 und die Rückseite konnte eindeutig abgebildet werden. Weitere Anzeigen aus dem Inneren der Platte zeigen das Potenzial des Systems. An einem Brückenbauwerk wurden indirekt Verdichtungsmängel lokalisiert. Dazu wurden mit dem LAUS-System die im Brückenträger verlaufenden Spannkanäle durch fast 2 m Beton abgebildet.
Seismic wave velocities are related to elastic moduli and other properties and can serve as indicators for changes in the material. They are conventionally determined by active measurements. Using ideas from seismic interferometry determination from stacked cross-correlations of registrations of man-made and natural noise (“passive seimics“) is an effective alternative, as these data might be available from vibration monitoring anyway. The validity of this approach is demonstrated by a simple experiment based on recordings of man made noise using accelerometers at the reference structure. The s-wave (or more probable. guided wave) velocity was determined to be 2100 m/s in both active and passive experiments.
Bridge monitoring using embedded ultrasonics First results from the BLEIB reference structure
(2017)
The BLEIB reference structure The structure is a two-span, 24 m long inverse u-shaped post-tensioned concrete beam. Fibre optic sensing cables, RFID sensors and ultrasonic transducers are permanently embedded. Other sensing techniques (vibrational, optical, ultrasonic, mechanical) are applied externally. Tension can be adjusted. Loads can be placed at arbitrary locations. Limited damage is introduced to one span. The BLEIB reference structure is located at BAM‘s test site in Horstwalde, south of Berlin. Ultrasonic transducer before concreting.
Embedded ultrasonic transducers 14 piezo transducers have been embedded before concreting. They are located in five sections, two close to the centers of both spans respectively and one above the central bearing.
Load experiment and data evaluation In a first experiment load 2 (weight 2 t) was moved three times along the southern (right) span. The tension forces were modified as well.
Ultrasonic transmission measurements were repeated over time and evaluated using Coda Wave Interferomerry (CWI), which determines correlation coefficients and relative velocity changes as subtle indicators for loads and other changes in the material.
Modern geophysical methods might be either directly applied to concrete structures or integrated into existing testing schemes to assist in quality assurance and inspections. This paper gives an overview on some ideas and developments from the author’s work:
• Vibrator technologies to improve pile integrity testing.
• Ideas from vertical seismic profiling used in multichannel pile inspection
• Cross- and downhole seismics to check the diameter of jet grouting columns
• Improving the parallel seismic methods for precise length measurement of piles and foundation walls
• Seismic migration methods to improve ultrasonic imaging of foundation slabs
• Seismological tools to monitor subtle changes in concrete constructions
The authors strongly believe that the cooperation between geophysics and civil engineering, which is obviously becoming stronger and stronger, will lead to a large number of innovative approaches.
In der aktuellen Projektphase liegt der Fokus auf der Datenaufnahme, -bearbeitung und -speiche-rung mit dem Ziel, automatisierte Auswerteverfahren einsetzen zu können. Aktuell wurden primär punktuelle Messungen an ausgewählten Messtagen aufgenommen. Die Systeme sollen so weiter-entwickelt werden, dass sie sich auch für kontinuierliche Messungen im Rahmen von Monitoring-aufgaben eignen.
Ein wichtiger Fokus bei der Auswertung ist die Kombination mit numerischen Modellen, die mithilfe von Bayesian Update Verfahren und den aufgenommenen Messdaten kalibriert und im Verlauf der Monitoringaufgabe angepasst werden sollen. Insbesondere sollen auch zeitabhängige Modelle, die eine zeitliche Entwicklung von Struktureigenschaften beinhalten (Kriechen, Schwinden, Ermüdung, Korrosion) dazu verwendet werden, die zukünftige Performance der Struktur bewerten zu können. Basierend darauf werden dann Konzepte zur Planung von Inspektion und Wartung erstellt.