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Am Deutschen Dom wurden Mikrowellenabsorptionsmessungen, Radar und Infarot- Thermographie als moderne zerstörungsfreie Prüfverfahren der Feuchtemessung in Mauerwerk erprobt. Ergänzende numerische Simulationsrechnungen des gekoppelten Wärme- und Feuchtetransports sollen bei der Auswahl von Trockenlegungskonzepten helfen.
Active infrared thermography in civil engineering - quantitative analysis by numerical simulation
(2003)
The cooling-down process of building structures after heating-up with an external radiation source was analysed to detect voids inside and below the surface. Quantitative results of concrete test specimen containing voids with different sizes at various depths will be presented here. The experimental results were compared to numerical simulations performed with a Finite Difference program developed at BAM.
Anwendung der Impuls-Thermografie als quantitatives zerstörungsfreies Prüfverfahren im Bauwesen
(2002)
Zusammenfassung
Die Impuls-Thermografie ist eine aktive Methode zur Strukturuntersuchung von Bauteilen. Im Rahmen eines von der DFG geförderten Projektes wird in Kooperation mit der TU Berlin an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung zur Zeit die mögliche Anwendung der Impuls-Thermografie als zerstörungsfreies Prüfverfahren im Bauwesen untersucht.
Die Impuls-Thermografie soll zur Ortung von oberflächennahen Inhomogenitäten, bei denen es sich im Normalfall um Fehlstellen handelt, in typischen Bauteilen verwendet werden und nach Möglichkeit die Geometrie- sowie die Materialparameter der Inhomogenitäten quantitativ bestimmt werden.
Messungen werden derart durchgeführt, dass Oberflächen mit einem geeigneten Heizstrahler erwärmt, die anschließenden Abkühlungsprozesse mit einer Infrarot-Kamera betrachtet und thermische Bilddaten (Thermogramme) aufgezeichnet werden. Der Hauptansatzpunkt für die quantitative Auswertung der Messdaten ist die Betrachtung von Temperatur-Zeit-Kurven (Transienten) des Abkühlungsprozesses über fehlerfreien und fehlerhaften Bereichen des Probekörpers. Zusätzlich werden auf Basis der Finiten-Differenzen-Methode numerische Simulationen durchgeführt. Quantitative Ergebnisse werden sowohl durch den Vergleich der experimentellen Daten mit den Simulationsrechnungen als auch durch eine Anpassung analytischer Funktionen an die Transienten erzielt.
Impulse-thermography is an active method for quantitative investigation of the near surface region of various structures which has recently been applied to civil engineering. It is well suited for the detection of voids and honeycombing in concrete up to concrete covers of 10 cm and more. For quantitative analysis, a computer program for numerical simulation of the heating up and cooling down processes was developed based on Finite Differences. With this program parameter studies have been performed for investigating the influence of environmental conditions, material parameters and geometry on the thermal behaviour. The comparison between experimental and simulated results enables the Inverse Solution.
Non-destructive testing (NDT) of concrete structures is performed using pulse-echo methods. According to the type of the applied waves it can be classified as acoustic (Impact-Echo, Ultrasonics) and electromagnetic methods (Radar). The results are visualised through different imaging processes. This work is performed in the frame of a research project promoted by Deutsche Forschungsgemeinschaft (FOR384).The objective of data fusion is to use the complementary information of the different methods. Radar can detect metallic reflectors in concrete (metallic ducts and concrete reinforcement) very well. This method is not able to locate defects behind these reflectors (injecting defects, defects behind close concrete reinforcement), because the electromagnetic waves are completely reflected at metals. The acoustic methods are able to compensate this deficit i.e. acoustic waves can penetrate through metal. But acoustic waves in the ultrasonic range are completely reflected by air layers. Air layers have smaller influence on radar propagation, so that both methods complement each other.In order to be able to combine the NDT-data from several methods records at the same volume, the different data setsmodes of signals must be adapted. The ultrasonic and radar data have to be reconstructed with programs based on the Synthetic Aperture Focusing Technique (SAFT) before data fusion. Subsequently, a conversion of the data into a uniform format has to be carried out. This is a prerequisite in order to keep the data exchange between the project partners as simple as possible. After the data sets are imported and transferred into a common reference system, they can be processed with operations according to the purpose of the investigation. Results, which have been achieved in concrete test specimen with radar and ultrasonics, will be presented and will show the feasibility of the data fusion method.
Im Rahmen eines FE-Projektes “Inspektion Fester Fahrbahnen“ der BAM und der Deutschen Bahn AG geht es um die Anwendung und weitere Entwicklung zerstörungsfreier Messverfahren zur Beurteilung des Zustandes Fester Fahrbahnen.
Nach ersten Versuchsreihen direkt im Gleis wurden für verschiedene Bauarten die charakteristischen Herstellungsbedingungen simuliert und systematisch untersucht. Die kombinierte Anwendung der drei Messverfahren Ultraschall-Array-, Impakt-Echo- und Impuls-Radar-Verfahren wird hier an dem Beispiel “Betonschwelle in Betoneinbettung” dargestellt.
Verfahrensentwicklung zur Qualitätssicherung Fester Fahrbahnen mit zerstörungsfreien Prüfverfahren
(2002)
The applicability of pulse phase thermography (PPT) for the investigation of structures is studied systematically on concrete test specimens and on a plastered sandstone column. In the test specimens, voids and delaminations are implemented in different depths and with different sizes, modelling real voids, honeycombing and debonding. Delaminations of plaster in concrete and masonry and behind tiles on concrete are investigated. PPT is based on the frequency analysis of the cooling down process of actively heated surfaces. Therefore, it is contactless and thus completely non-destructive (if overheating of the surface is prevented), fast and allows the inspection of large surface areas. The interpretation of amplitude and phase images gives semi-quantitative information about the observed defects. The phase images provide a deeper probing up to 1015 cm in relation to the interpretation of the thermograms and to the amplitude images. In addition, the influence of surface inhomogeneities and non-uniform heating is reduced.
Abstract
In the recent years the application of infrared thermography and especially its active approaches lock-in thermography, impulse themography and pulse phase thermography (PPT) has gained more importance for non-destructive testing (NDT). In this paper it is demonstrated that PPT is very well suited for NDT in civil engineering. The method is based on pulse heating of the investigated specimen and on the observation of the cooling down process on its surface with an infrared camera. The transient behaviour is afterwards analysed with Fast Fourier Transformation, enabling the creation of phase and amplitude images with enhanced visualisation of the defects. Results of European and National (i.e. DFG) funded projects are presented, for example the detection of voids and inhomogeneities close to the surface and the localisation of delaminations on plastered concrete and masonry specimen.
ZUSAMMENFASSUNG
Im Rahmen eines von der Deutschen Forschungsgemeinschaft geförderten Vorhabens zur zerstörungsfreien Prüfung im Bauwesen wird in der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) in Zusammenarbeit mit der Technischen Universität Berlin (TUB) die Puls-Phasen-Thermografie (PPT) weiterentwickelt, bewertet und eingesetzt. Die durch die Impuls-Thermografie (IT) aufgenommenen Daten werden mittels Fast Fourier Transformation (FFT) bearbeitet. Die durch die FFT gewonnenen Phasenbilder reduzieren die Störeinflüsse von Oberflächeninhomogenitäten und ungleichmäßiger Erwärmung.
Die dargestellten Ergebnisse zeigen deutlich, dass sich die PPT sehr gut zur zerstörungsfreien Prüfung im Bauwesen eignet. Insbesondere Inhomogenitäten im oberflächennahen Bereich, wie Ablösungen und Hohlstellen hinter Beschichtungen (Putz, CFK-Laminate etc.), aber auch Defekte in größeren Tiefen können zuverlässig geortet und bildgebend dargestellt werden.
In der BAM wurde als Gemeinschaftsvorhaben der Fachgruppe „Zerstörungsfreie Schadensdiagnose und Umweltmessverfahren“ ein rechnergesteuerter Messabtaster für Bauwerksteile (Baustellenscanner) entwickelt. Es handelt sich um ein auf Schienen verfahrbares modulares System mit einem multifunktionalen Messkopf für mehrere zerstörungsfreie Prüfverfahren. Mit dem Baustellenscanner können Objekte wie Brücken oder Fundamentplatten schneller und genauer als bisher bei gleichzeitig reduziertem Personalaufwand untersucht werden.
New thermography systems enable the application of active investigation techniques, i.e. the observation of the cooling down process after heating the surface of a structure under investigation. Defects like voids in concrete having a different thermal diffusivity in comparison to the bulk material are visualised by different surface temperatures. The differences between temperature transient curves above sound regions and above inhomogeneities are expected to include information about the defect parameters.
Experimental investigations with impulse thermography and radar on a concrete test specimen containing voids were analysed. Radar was used to determine the depth of the voids. The influence of size and depth of the voids on the temperature transient curves was studied for different heating times. The transient curves were also fitted with a simple semi-empirical model.
Impulse-thermography has been established as a fast and reliable tool in many areas of non-destructive testing. In recent years several investigations have been done to apply active thermography to civil engineering. For quantitative investigations in this area of application, finite difference calculations have been performed for systematic studies on the influence of environmental conditions, heating power and time, defect depth and size and thermal properties of the bulk material (concrete). The comparison of simulated and experimental data enables the quantitative analysis of defects.
Validation of non-destructive testing methods is necessary to create a common basis where different systems can be compared and their applications and limitations be identified. This can be achieved through comparing the measurements taken by several systems used for a common diagnostic purpose under practical but controlled testing conditions. Well-designed small and large laboratory or field specimens promise such conditions.
The special concrete specimen (LCS) at BAM was constructed for validation purposes, in particular, to be used for evaluating the performance of echo methods. The thickness of the specimen is varying and it contains carefully designed built-in faults, such as voids, honeycombs and tendon ducts with various degrees of grouting defects. Since the geometry and condition of the defects are known, it can be used to compare the performance of radar, ultrasonic, impact-echo. The research was conducted within the Research group FOR384, sponsored by the German Research Society DFG.
Das Ziel des Forschungsvorhabens „Zerstörungsfreie Ortung von Gefügestörungen in Betonbodenplatten“ bestand in der Entwicklung eines Untersuchungskonzepts zur sicheren Ortung und Erfassung von Gefügestörungen in einseitig zugänglichen Betonplatten durch den kombinierten Einsatz verschiedener zerstörungsfreier Prüfverfahren. Hierfür wurde die Leistungsfähigkeit der folgenden Messverfahren hinsichtlich ihrer Aussageschärfe, Anwendungsgrenzen und Messgeschwindigkeit bei praxisnahen Randbedingungen untersucht:
- Impakt-Echo, manuelle Impaktauslösung
- Impakt-Echo, automatisierte Impaktauslösung
- Ultraschall-Echo mit multistatischem Array
- Impuls-Thermografie
- Radar
Als Versuchskörper dienten sechs liegend hergestellte Betonplatten der Abmessungen 200/200/30 cm aus zwei verschiedenen Betongüten und mit unterschiedlichem Bewehrungsgehalt (Bewehrungsgrade 0 %, 0 ,9 %, 2 ,6 %), von denen vier Platten auf trockenem und zwei Platten auf ständig nass gehaltenem Sand gelagert waren. Alle sechs Platten enthielten jeweils dieselben künstlich eingebrachten Fehlstellen: vier quadratische Kiesnester in unterschiedlicher Tiefe mit Kantenlängen zwischen 10 und 15 cm sowie drei oberflächennahe Hohlstellen (Ø 4/6/8 cm). Zur Erfassung eines möglichen Einflusses des Betonalters wurden die Messungen 4 Tage, 28 Tage sowie 180 Tage nach Herstellung der Platten durchgeführt.
Um aus den Untersuchungen einen breiten Nutzen für die Praxis zu erzielen, basierten die eingesetzten Messverfahren auf handelsüblichen Geräten, welche jedoch bezüglich ihres Messprinzips und insbesondere der Datenerfassung und -auswertung weiterentwickelt wurden. Die Fehlstellengröße wurde bewusst klein gewählt.
Mit Ausnahme des manuellen Impakt-Echo-Verfahrens, mit welchem unter Verwendung der Originalsoftware des Herstellers keine Fehlstellen nachweisbar waren, zeigten sich alle Messverfahren geeignet, unter verschiedenen Randbedingungen Gefügestörungen zu lokalisieren. Insgesamt wurde jeder Fehlstellentyp von zumindest einem Verfahren bei mindestens zwei Versuchskörpern detektiert. Es konnten jedoch an keiner Betonplatte mit einem einzelnen Messverfahren alle vorhandenen Fehlstellen an allen Messterminen geortet werden.
Am häufigsten wurden die beiden großen oberflächennahen Fehlstellen (Hohlstelle Ø 8 cm, Kiesnest 10 cm) erkannt. Am schwersten zu lokalisieren waren die kleine Hohlstelle mit 4 cm Durchmesser sowie die beiden auf der Unterseite gelegenen Kiesnester.
Die Untersuchungen zeigen, dass für eine erfolgreiche Anwendung zerstörungsfreier Messverfahren in der Praxis die Auswahl des am besten geeigneten Verfahrens bzw. einer Kombination verschiedener Verfahren jeweils auf die vorliegende Problemstellung abgestimmt sein muss.
Für Betonbodenplatten mit hohem Feuchtegehalt (junger Beton) oder starker Bewehrung ist entweder das Ultraschall- oder das Impakt-Echo-Verfahren geeignet. Das Ultraschall-Verfahren wird von hohen Bewehrungsgehalten zwar stärker beeinflusst als das Impakt-Echo-Verfahren, besitzt aber eine bessere Auflösung und ermöglicht auch im oberflächennahen Bereich eine quantitative Bestimmung der Fehlstellentiefe. Das Impakt-Echo-Verfahren kann wegen der niederfrequenten Impulsanregung Fehlstellen erst in größeren Tiefen und mit schlechterer Auflösung nachweisen, ist aber ideal geeignet zur Bestimmung der Plattendicke aufgrund seines signifikanten Rückwandechos. Sowohl das Radar-Verfahren als auch die Impuls-Thermografie können bei hohen Feuchte- und Bewehrungsgehalten nur sehr oberflächennah eingesetzt werden.
Bei trockenem Beton und geringen bis mittleren Bewehrungsgehalten liefert das Radar-Verfahren sehr gute Ergebnisse. In kurzer Zeit ermöglicht es eine flächendeckende Ortung der Tiefenlage und Größe von Inhomogenitäten bei guter Auflösungsgenauigkeit. Vorhandene Bewehrung wird deutlich abgebildet, kann aber darunterliegende Fehlstellen verschatten. Alternativ kann die Impuls-Thermografie für die Ortung oberflächennaher Gefügestörungen eingesetzt werden. Das Verfahren eignet sich insbesondere bei Oberflächen, die nicht direkt zugänglich sind, da zwischen Infrarotkamera und Messobjekt nur Sichtkontakt bestehen muss.
Die Betongüte hatte bei keinem eingesetzten Verfahren einen erkennbaren Einfluss auf die Messergebnisse. Streng genommen ist dies jedoch nur für den Einfluss des Wasserzementwertes, der Zementart und des Zementgehalts bei gleichbleibender Sieblinie und gleicher Kornart gültig. Bei Verwendung von Leichtzuschlag sind abweichende Ergebnisse denkbar.
ZfPBau-Kompendium 2004
(2007)
Dieses Kompendium ist ein kurzgefasster Abriss, ein Leitfaden und auch ein Handbuch der für den Einsatz im Bauwesen geeigneten zerstörungsfreien Prüfverfahren. In strenger, stets gleicher Gliederung wird jede der mehr als 100 Untersuchungsmethoden in einem eigenen Geräteblatt beschrieben. Hinzu kommen Querverweise zu alternativen Prüfmethoden sowie zahlreiche Hinweise auf einschlägige Fachliteratur und zu bekannt gewordenen Geräteherstellern, Lieferanten und Dienstleistern.
The structural safety, durability and performance of the infrastructure is of primary interest in every country. An efficient system for early and regular structural assessment as well as for quality assurance during and after the construction of new structures and of reconstruction processes is urgently required. At BAM, NDT methods to be applied in civil engineering are developed and their application improved. From the experience of on-site assessments, quality assurance systems and methodologies for regular inspections are elaborated. This work is mainly performed in the frame of externally funded research projects.