8 Zerstörungsfreie Prüfung
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Entwicklung einer flexiblen Datenablage zur sicheren Speicherung von Bauwerksdaten - "CASPAR"
(2024)
Bestandsunterlagen von älteren Bauwerken sind bezüglich einer rechnerischen Zustandsbewertung häufig nur in einem unzureichenden Umfang verfügbar. Dies gilt sowohl für den privaten als auch für den öffentlichen Bereich. Der Wert von Bestandsunterlagen für Gebäude oder Brücken ist Vielen nicht bekannt. Soll jedoch der aktuelle Zustand von Bauwerken bewertet, sollen Restlebensdauern abgeschätzt oder soll umgebaut werden, stellen Bestandsunterlagen die Grundlage dafür dar. Liegen diese nicht vor, so muss die Bauweise des Bauwerkes kostenintensiv nachvollzogen und mit nachträglichen Untersuchungsverfahren bewertet werden. Vor allem ist dies darauf zurückzuführen, dass die Aufbewahrung der Bestandsunterlagen dem Bauherrn obliegt und diese meist in Papierform vorliegen und dann bei Umzügen, Betriebsschließungen, Eigentümerwechsel etc. verloren gehen.
Die Digitalisierung im Bauwesen bietet hier Möglichkeiten diese Probleme künftig zu vermeiden. Bereits heute nimmt die digitale Planung im Bauwesen eine immer größere Rolle ein. Mehr und mehr Bauvorhaben werden schon jetzt in sogenannten BIM Modellen (Building Information Modelling) geplant. Um die Akzeptanz einer digitalen Lösung zu gewährleisten muss die Vertrauenswürdigkeit von Daten auch langfristig garantiert sein. Naturgemäß unterliegen Erkenntnisse, die aus Daten gewonnen werden, häufig vielen Prozessschritten mit unterschiedlichen Beteiligten. Es lässt sich vor dem Hintergrund der üblichen Lebensdauern von Bauwerken leicht erkennen, dass es schwierig ist diese Prozesskette, von der Datenerhebung bis zur teilweise jahrzehnte späteren Nutzung, beweissicher und rückführbar zu gestalten. Diese Attribute sind es aber, die die Vertrauensbasis für die Qualität und somit auch die Akzeptanz von digitalisierten Daten bilden. Im Projekt „CASPAR“ erarbeiten wir eine mögliche technologische Grundlage, um Bauwerksdaten langfristig und manipulationssicher zu speichern.
Wir präsentieren unsere Forschungsergebnisse zur Entwicklung eines faseroptischen Sensorsystems mit polymeroptischen Fasern integriert in Geokunststoffe für die Überwachung von geotechnischen Anlagen. Das Sensorsystem dient der räumlichen Auflösung lokaler Dehnungsereignisse im für Anwender signifikanten Größenordnungsbereich von 3 % bis 10 %. Das gesamte Sensorkonzept besteht aus einem praxistauglichen Messsystem basierend auf der digitalen inkohärenten optischen Frequenzbereichsreflektometrie (I-OFDR) und einer Sensormatte in Form eines Geotextils mit integrierten faseroptischen perfluorierten polymeroptischen Fasern (PF-POFs).
Related work
Laboratory Study:
Combining Signal Features of Ground-Penetrating Radar to Classify Moisture Damage in Layered Building Floors
https://doi.org/10.3390/app11198820
On-Site Study:
TBA
Doctoral Thesis:
Non-destructive classification of moisture deterioration in layered building floors using ground penetrating radar
https://doi.org/10.14279/depositonce-19306
Measurement Parameters
The GPR measurements were carried out with the SIR 20 from GSSI and a 2 GHz antenna pair (bandwidth 1 GHz to 3 GHz) in common-offset configuration. Each B-Scan consists of N A-Scans, each including 512 samples of a 11 ns time window. Survey lines were recorded with 250 A-Scans/ meter, which equals a 4 mm spacing between each A-Scan No Gains were applied.
Folder Description:
Lab_dry, Lab_insulDamage, Lab_screedDamage
- each contain 168 Measurements (B-Scans) in .csv on 84 dry floors, floors with insulation damage and screed damage.
- each floor setup was measured twice on two orthogonal survey lines, indicated by _Line1_ and _Line2_ in the file name.
- the file names encode the building floor setup e.g. CT50XP100 describes a 50 mm cement screed with 100 mm extruded polystyrene below
- the material codes are
CT: cement screed, CA: anhydrite screed, EP: expanded polystyrene, XP: extruded polystyrene, GW: glass wool, PS: perlites
further information can be found in the publication https://doi.org/10.3390/app11198820
OnSite_
- 5 folders containing B-Scans on 5 different practical moisture damages
- the building floor setup is encoded according to the lab with an additional measurement point numbering at the start and a damage case annotation at the end of the file name with _dry, _insulationDamage and_screedDamage
File Description:
B-Scans, Measurement files - no header
- dimension: 512 x N data point with N beeing the number of A-Scans including 512 samples of a 11 ns time window.
- survey lines were recorded with 250 A-Scans/ meter, which equals a 4 mm spacing between each A-Scan
Moisture References
- Moist_Reference of On-Site Locations include the columns MeasPoint: Measurement point, wt%Screed: moisture content of screed layer in mass percent; wt%Insul: moisture content of insulation layer in mass percent. References were obtained by drilling cores with 68 mm diameter in the center of each survey line.
- Moist_Reference_Screed of Lab data include the columns Screed: Screed material and thickness in mm, wt%Screed moisture content of screed layer in mass percent
- Moist Reference_Insul of Lab data include the columns Insulation: Insulation material and thickness in mm, water addition in l: water added to the insulation layer in liters, V%Insulation: water added to the insulation layer in volume percent, RH%: resulting relative humidy in the insulation layer during measurement. These References are only avaible for Lab measurements on insulation damages.
A novel distributed acoustic sensing technique is proposed that exploits both phase and amplitude of the Rayleigh backscattered light to quantify the environmental variation. The system employs a wavelength-scanning laser and an imbalanced Mach-Zehnder interferometer to acquire the reflection spectra and the phase of the detected light, respectively. Fading-free and low-frequency measurements are realized via the crosscorrelation of the reflection spectra. The discrete crosscorrelation is used to circumvent the nonlinear frequency sweeping of the laser. Based on the phase of the backscattered light, it is possible to quantify fast environmental variations. The whole system requires no hardware modification of the existing system and its functionality is experimentally validated. The proposed system has the potential to monitor ground motion/movement at very low frequency band like subsidence around mining areas and at high frequency band like earthquakes and vibrations induced by avalanches.
Bei der zerstörungsfreien Prüfung verlegter Eisenbahnschienen werden die Rohdaten derzeit in proprietären Datenformaten gespeichert und auf Datenträgern zwischen den Prüfzügen und den auswertenden Stellen versendet. Die proprietären Datenformate sind in der Regel nur den Herstellern der Prüfsysteme bekannt und deren Dokumentation nicht allgemein zugänglich.
Das Forschungsprojekt „Artificial Intelligence for Rail Inspection“ (AIFRI) erfordert den Austausch von Prüfdaten in einem offenen Format sowohl zwischen den Projektpartnern als auch die Veröffentlichung anonymisierter Daten ausgewählter Strecken aus dem Offenen Digitalen Testfeld (ODT). Wir haben uns in dem Projekt für die Verwendung der „Standard Practice for Digital Imaging and Communication in Nondestructive Evaluation“ (DICONDE) entschieden. DICONDE basiert auf dem medizinischen Standard „Digital Imaging and Communication in Medicine“ (DICOM) und wurde von ASTM an die ZfP angepasst. DICOM bzw. DICONDE ist nicht nur ein Datenformat, sondern beinhaltet auch Kommunikationsschnittstellen für die Auftragsvergabe, Datenübertragung und Abfrage gespeicherter Datensätze aus einem Archiv.
In dem Vortrag werden DICOM und DICONDE vorgestellt, sowie die Verwendung von DICONDE für die Schienenprüfung im Projekt AIFRI näher erläutert. Es wird gezeigt, wie sich Prüfdaten, Prüfparameter, Streckeninformationen incl. Kilometertafeln und Geokoordinaten und Befunde in DICONDE kodieren lassen.
A systematic, nature-inspired chemical engineering approach is employed to solve the issue of flooding in electrochemical devices. The mechanism of passive water transport utilized by lizards living in arid environments is leveraged to design flow-fields with a microchannel structure on their surface, through which capillary pressure rapidly removes the water generated in the electrochemical device. This water management strategy is implemented in proton exchange membrane fuel cells (PEMFCs) with a lunginspired flow-field, which ensures uniform distribution of reactants across the catalyst layer. Jointly, this nature-inspired approach results in flood-free, stable operation at 100% RH and a B60% increase in current (B1.9 A cm-2) and peak power density (B650 mW cm−2) compared to current PEMFCs with a flood-prone, serpentine flow-field (B0.8 A cm-2 and 280 mW cm-2, respectively). This significant advance allows for PEMFC operation at fully humidified conditions.
Im Rahmen des Forschungsprojekts "Artificial Intelligence for Rail Inspection" (AIFRI) wird ein KI-Algorithmus entwickelt, um die Fehlererkennung und Bewertung bei der Auswertung von Schienenprüfungen mittels Ultraschall- und Wirbelstromprüfverfahren zu verbessern. Je nach Prüfverfahren werden relevante Schienenschädigungen (z. B. Head Checks) und Artefakte (z. B. Bohrungen) entsprechend analysiert und in einem parametrisierbaren digitalen Zwilling abgebildet, um anschließend die KI-Algorithmen trainieren zu können. Mit der Simulation können Prüffahrten virtuell durchgeführt und Schadensbilder für das KI-Training erzeugt werden, die das Verhalten komplexer Systeme reproduzieren, ohne dass das reale System benötigt wird. Die Modellannahmen sind dabei von erheblicher Bedeutung, denn unzureichende Modellannahmen führen leicht zu falschen Simulationsergebnissen. Um die Ergebnisse einer Simulation ordnungsgemäß darstellen zu können, ist das Simulationsmodell selbst zu überprüfen.
Die Vollständigkeit, Richtigkeit und Genauigkeit der Simulationsergebnisse werden anhand von realen Prüfungen verifiziert. Für die Verifikation der Ultraschallsimulation werden hier Stegbohrungen als Referenzreflektoren herangezogen. Als Testkörper stehen Schienensegmente mit unterschiedlichen Profiltypen sowie speziell angefertigte Testkörper mit schienenähnlicher Geometrie zur Verfügung. In den Testkörpern befinden sich künstliche und reale Schädigungen in Kopf-, Steg- und Fußbereich, sowie Bohrungen mit Nuten. Die Validierung der Wirbelstromsimulation erfolgt an Testkörpern, die aus Schienenköpfen gefertigt sind. Dabei werden die Signale für unterschiedliche Nuttiefen und Nutenpaare mit unterschiedlichen Abständen untersucht.
Für die Modellierung der Simulationsergebnisse verweisen wir auf das ebenfalls eingereichte Poster „Simulation von Ultraschall- und Wirbelstromprüfdaten für die Schienenprüfung“.
Das Projekt AIFRI wird im Rahmen der Innovationsinitiative mFUND unter dem Förderkennzeichen 19FS2014 durch das Bundesministerium für Digitales und Verkehr gefördert.
Ultrasonic echo testing is a well-established non-destructive testing technique used to investigate the interior of concrete structures in civil engineering. For the reconstruction of internal features, methods similar to seismic imaging are applied. To improve the ultrasonic imaging capabilities, we investigate the potential of a newly available 3D matrix mode measurement device in combination with advanced imaging techniques.
Commonly used ultrasonic array measurement devices rely on several ultrasonic transducers coupled to act as one transducer that transmits or receives transversal ultrasound waves. Although this approach is well suited to detect elongated structures such as pipes and rebars, it has limitations if 3D embedded objects are present. Hence, the ultrasonic device MiraA1040Pro used here is designed to measure the ultrasonic wavefield on a 4 by 16 matrix of individual transducers. For testing, we used laboratory specimens with linear and spheric embedded structures first. Both linear and matrix mode measurements were conducted and analysed using the Synthetic Aperture Focusing Technique
(SAFT) which is similar to Kirchhoff migration. Second, we used a data set from Teutschenthal mine at a shotcrete specimen constructed to simulate engineered barriers tailored for nuclear waste repositories. Ultrasonic measurements were investigated as a tool for quality assurance of these structures. The specimen contains both artificial 3D artifacts as well as naturally occurring defects such as a delamination. To make use of the advanced data acquisition, focusing 3D imaging techniques are applied to further improve the imaging quality.
Generally, the reconstructed images from the 3D matrix mode data have a lower level of Signal-to-Noise-Ratio than the 2D linear mode because the source signal is weaker compared to the linear mode. Moreover, complex wave conversions of the SH-transversal wave occur that are reduced in the 2D linear scenario. However, clearer images can be achieved at non-linear features, particularly with focusing imaging methods. Thus, combining 3D data acquisition techniques with advanced imaging methods improves the success in imaging complex concrete structures. This is of particular interest for thick concrete structures in nuclear barrier systems or foundations. Additionally, we demonstrate opportunities to use well-constrained test laboratory scenarios from non-destructive testing as a practical test case for geophysical methods.
Im Rahmen des Forschungsprojekts "Artificial Intelligence for Rail Inspection" (AIFRI) wird ein KI-Algorithmus entwickelt, um die Fehlererkennung und Bewertung bei der Auswertung von Schienenprüfungen mittels Ultraschall- und Wirbelstromprüfverfahren zu verbessern. Die Bandbreite möglicher Defekte und die Menge an Einflussgrößen auf die Schienenprüfung ist sehr groß, aber die Prüfdaten aus dem Feld bilden diese Bandbreite nicht balanciert ab und sind unzureichend gelabelt. Durch Simulationen werden große Mengen detailliert gelabelter Daten für relevante Schienenschädigungen und Artefakte bereitgestellt. Aus diesen Daten werden wiederum virtuellen Prüffahrten erstellt, die für das Training und die Validierung der KI genutzt werden können.
In unserem Poster stellen wir die Simulation dieser Ultraschall- und Wirbelstromprüfdaten vor. Dabei gehen wir im Detail auf die Themen CAD-Modellierung, Modellparameter, Simulationssoftware und Signalverarbeitung ein. Wir stellen ausgewählt die Simulation von Head Checks für Wirbelstromprüfverfahren und Bohrungsanrissen für Ultraschallprüfverfahren dar, da das Erkennen dieser Schädigungstypen bei der Schienenprüfung hohe Priorität innehat.
Für die Verifikation der Simulationsergebnisse verweisen wir auf den ebenfalls eingereichten Vortrag „Verifikation von Ultraschall- und Wirbelstromsimulationen bei der Schienenprüfung“.
Das Projekt AIFRI wird im Rahmen der Innovationsinitiative mFUND unter dem Förderkennzeichen 19FS2014 durch das Bundesministerium für Digitales und Verkehr gefördert.