8.2 Zerstörungsfreie Prüfmethoden für das Bauwesen
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A safety or security related assessment of explosions, accidental and intentional scenarios alike, often necessitate performance of replication-tests. Such test results are necessary to clarify the causes within the scope of forensic investigations. To gain important insights into the behavior of structures and materials under such loading, field tests may also be performed in accordance with different test standards. To determine the resistance of building-structures after explosions, estimation of the residual load-bearing capacity in addition to the assessment of dynamic structural response and damage to the building components is important. In most cases an evaluation of structural integrity is based only on the visual damage, resulting in an overestimation of the residual capacity.
The Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) operates the Test site for Technical Safety (TTS) on an area measuring about 12 km2 in the Federal State of Brandenburg for execution of true-to-scale explosion tests. At the TTS, building component testing was performed to assess the suitability of different non-destructive testing methods to characterize the dynamic structural response and damage resulting from the detonation of high explosives.
Different blast-loading scenarios were realized by varying the net explosive mass and the standoff distance with all scenarios representing a near-field detonation. The test object was a reinforced concrete wall 2 m high, 2.5 m wide and 20 cm thick, fixed at both vertical edges. The dynamic loading of the wall was characterized with 8 piezoelectric pressure sensors flush-mounted on the front surface, thus measuring the reflected pressures from the shock wave. The tests were conducted with the aim of characterizing the global behavior of the wall under dynamic shock loading and the resulting local damage pattern, respectively. High speed digital image correlation was implemented in combination with multiple acceleration sensors to observe the rear surface of the wall to chart the dynamic deflection during the loading and to determine the residual deformation after the loading had ceased. In addition, one test specimen was instrumented with fiber optic sensor cables, both fixed to the rebars and embedded in the concrete-matrix, respectively. Firstly, these sensors were interrogated during the blast test by a distributed acoustic sensing (DAS) device using a particularly high sampling rate to measure the shock-induced vibrations in the structure with high temporal resolution. This delivers information on dynamics of compression and tension cycles from within the structure. Secondly, the local damage-pattern emerging during the series of blasts was determined via distributed fiber optic strain sensing (DSS) by interrogating the embedded fiber optic sensors with a high spatial resolution DSS device after each blast. This enabled the characterization of non-visual damage to the structure, in particular with regard to the formation of localized cracks in the concrete matrix. The DSS was further complimented by a structure-scanner based on ultrasonic measurements.
Our contribution describes this new test approach in detail. Results of the three datasets, namely dynamic shock loading, global behavior of the test object and the local damage pattern will be presented. The suitability of the implemented measurement methods will be discussed in combination with the challenges in their application for technical safety evaluation of building components under explosive loading.
Sprengversuche sind ein wesentliches Werkzeug, um die Eignung von Schutzobjekten und Bauteilen zum Schutz der Bevölkerung vor Anschlägen mit explosionsgefährlichen Stoffen wie Explosivstoffen, sogenannten „home-made-explosives“ (HME) und unkonventionellen Spreng- und Brandvorrichtungen (USBV) zu bewerten. Für forensische Zwecke werden oft Explosionsszenarien nachgebildet, um die Auswirkung von Anschlägen oder Unfällen genau untersuchen zu können. Feldversuche in Kombination mit numerischen Simulationen ermöglichen eine Charakterisierung der Belastung und Schädigung von Bauteilen und Strukturen unter hochdynamischen Explosionsbelastungen.
Auf dem Testgelände Technische Sicherheit (TTS) der BAM in Horstwalde, Brandenburg werden Sprengversuche im Real-Maßstab durchgeführt. Dabei werden Bauteile mit Messtechnik ausgestattet, um eine dynamische Strukturcharakterisierung mittels sensorbasierten Monitorings zu ermöglichen.
In diesem Vortrag werden am Beispiel einer Versuchskampagne mit einer Stahlbetonwand als Prüfkörper die Eignung verschiedener Prüfmethoden bei Sprengversuchen evaluiert. Es werden Messmethoden zur Charakterisierung der Explosionsereignisse, des globalen Strukturverhaltens sowie der lokalen Schädigung vorgestellt.
Die direkte Charakterisierung der Explosionsbelastung erfolgt mit Hilfe von piezo-elektrischen Druckaufnehmern (bündig mit der Oberfläche im Prüfkörper montiert) und High-Speed-Kameras. Die Beobachtung der explosionsinduzierten Reaktion des Bauteils während und nach dem Eintreffen der Stoßwelle erfolgt mittels Beschleunigungssensoren, Stereo-Fotogrammetrie sowie mit in den Prüfkörper eingebetteter verteilter faseroptischer Sensoren, mit Hilfe derer die Dehnungsraten im Bauteil zeit- und ortsaufgelöst gemessen werden können. Die faseroptischen Sensoren erlauben außerdem die örtlich hochaufgelöste Bestimmung statischer Dehnungsänderungen im Bauteil nach einem Versuch, sodass auch nicht sichtbare Schädigungen wie kleinste Risse detektiert und charakterisiert werden können. Vergleichende Messungen mit Ultraschall komplettieren die Schadenscharakterisierung. In unserem Beitrag diskutieren wir die Herausforderungen dieser Messungen sowie die Ergebnisse und Möglichkeiten der genannten komplementären Messmethoden.
Das Projekt befasst sich mit einem neuen Ansatz, den pH-Wert im Beton zu bestimmen.
Der pH-Wert ist vor allem für Stahlbeton-Bauwerke von Bedeutung, da dieser maßgeblich die Korrosion des Stahls beeinflusst. Im frischen Beton liegt der pH-Wert im basischen Bereich.
Der Stahl ist in diesem Bereich passiviert, also vor schädlicher Korrosion geschützt. Durch die sogenannte Karbonatisierung sinkt der pH-Wert und die Korrosionswahrscheinlichkeit steigt deutlich an. Die Stabilität von Bauwerken in denen Stahlbeton verbaut ist, wird durch diese Korrosion langfristig beeinträchtigt. Allein in deutscher Infrastruktur rechnet man mit circa 5 Milliarden Euro Schaden jährlich.
Die entwickelte Methode verwendet Sonden, welche die Korrosion Monitoren sollen. Im Sondeninneren befindet sich eine Schicht pH-Indikator (Thymolblau) und eine Schicht mit Quantenpunkten. Die Quantenpunkte fluoreszieren, nach Anregung durch zum Beispiel einen Laser, bei circa 440 nm (blau) beziehungsweise 610 nm (gelb-orange). Das Thymolblau ist im basischen Milieu (pH > 9,6) blau, im neutralen Milieu (um pH 7) gelb-orange. Der Indikator wirkt wie ein Farbfilter und lässt, je nach pH-Wert, unterschiedliche Wellenlängen zur Glasfaser durch. Aus der gemessenen Intensität bei 440 nm und 610 nm kann ein Verhältnis ermittelt werden. Dieses Verhältnis lässt erkennen, welchen pH-Wert das Milieu besitzt, in dem sich die Sonde befindet.
Die entwickelte Methodik ist zerstörungsfrei, das heißt kein Material muss aus den Bauwerken entnommen werden. Vielmehr sollen die Sonden beim Betonieren in das Bauwerk eingebettet werden. Über Glasfasern können die Sonden jederzeit angesprochen werden. Dies ermöglicht permanentes pH-Monitoring, was die Früherkennung von Korrosionsgefahr verbessert und die Sanierungskosten verringert.