8.2 Zerstörungsfreie Prüfmethoden für das Bauwesen
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Stahlbetontragwerke sind eine wichtige Konstruktionsweise im Bauwesen und ein wachsendes Anwendungsfeld für die Zerstörungsfreie Prüfung (ZfP).
Zur Sicherung der Tragsicherheit, strukturellen Integrität, Bestimmung von Geometrien und zur Detektion konstruktiver Elemente wie z.B. Bewehrung, Verankerungen und Spannkanälen besitzen zerstörungsfreie Prüfverfahren in diesem Bereich inzwischen große Relevanz. Durch den bislang erreichten Fortschritt in der Forschung und Entwicklung haben moderne akustische und elektromagnetische Verfahren eine beachtliche Leistungsfähigkeit erreicht. Von Geräteherstellern sind diese in kommerziellen Produktserien umgesetzt worden und finden eine zunehmend breite Anwendung in der Praxis. In einigen anderen Anwendungsgebieten, in denen die ZfP bereits fester Bestandteil von Überwachungen ist, wie z.B. im Maschinenbau und insbesondere in der Kerntechnik und der Luftfahrt, existieren umfangreiche Qualitätssicherungssysteme für die konforme Anwendung und zuverlässige Einbeziehung der ZfP. Dem relativ jungen Entwicklungsstadium moderner ZfP für Stahlbetonbauteile entsprechend müssen solche Konzepte im Bauwesen erst noch entwickelt bzw. implementiert werden.
Dementsprechend hat sich der Unterausschuss Qualitätssicherung (UA- S) des Fachausschusses ZfP im Bauwesen (ZfPBau) die Definition und Verbesserung der Qualität von ZfP-Anwendungen sowie insbesondere die verfahrensunabhängige Standardisierung von Prüfprozeduren und statistische Absicherung der Prüfergebnisse zum Ziel gemacht.
Die aktuellen Arbeitsfelder beinhalten die Entwicklung praxisgerechter Konzepte für Prüfprozeduren und deren Erprobung in einem Ringversuch sowie die Konzeption von Testkörpern hinsichtlich unterschiedlicher Aspekte wie Parameterstudien, Validierung, Kalibrierung und Simulation. Dabei werden Ansätze anderer Branchen durchaus einbezogen, die Anpassung an die spezifischen Bedürfnisse und Gegebenheiten des Bauwesens wird jedoch als wesentlich angesehen und stellt somit eine wichtige Vorgabe dar.
Da die Tätigkeiten nicht auf einzelne Verfahren begrenzt sind, müssen generelle Vorgehensweisen entwickelt werden, die sich auf die jeweiligen Verfahren konkretisieren lassen. Der Vortrag gibt hierzu erste Einblicke in die Arbeit des Ausschusses.
Data fusion for multi-sensor nondestructive detection of surface cracks in ferromagnetic materials
(2018)
Fatigue cracking is a dangerous and cost-intensive phenomenon that requires early detection. But at high test sensitivity, the abundance of false indications limits the reliability of conventional materials testing. This thesis exploits the diversity of physical principles that different nondestructive surface inspection methods offer, by applying data fusion techniques to increase the reliability of defect detection. The first main contribution are novel approaches for the fusion of NDT images. These surface scans are obtained from state-of-the-art inspection procedures in Eddy Current Testing, Thermal Testing and Magnetic Flux Leakage Testing. The implemented image fusion strategy demonstrates that simple algebraic fusion rules are sufficient for high performance, given adequate signal normalization. Data fusion reduces the rate of false positives is reduced by a factor of six over the best individual sensor at a 10 μm deep groove. Moreover, the utility of state-of-the-art image representations, like the Shearlet domain, are explored. However, the theoretical advantages of such directional transforms are not attained in practice with the given data. Nevertheless, the benefit of fusion over single-sensor inspection is confirmed a second time. Furthermore, this work proposes novel techniques for fusion at a high level of signal abstraction. A kernel-based approach is introduced to integrate spatially scattered detection hypotheses. This method explicitly deals with registration errors that are unavoidable in practice. Surface discontinuities as shallow as 30 μm are reliably found by fusion, whereas the best individual sensor requires depths of 40–50 μm for successful detection. The experiment is replicated on a similar second test specimen. Practical guidelines are given at the end of the thesis, and the need for a data sharing initiative is stressed to promote future research on this topic.
The relevance of chloride measurements in practice for durability condition assessment and a description of the working principle of LIBS will be given. A comparison of chloride profiles obtained by the common wet chemical analysis and results from LIBS measurements are shown to demonstrate the accuracy of the LIBS-technique. In addition, an example on the extra information resulting from measurements performed with LIBS for improvement of condition assessment and prediction will be shown.
This paper will address the relevance of chloride measurements in practice for durability condition assessment and a description of the working principle of LIBS will be given. Examples of chloride profiles obtained by the common wet chemical analysis will be shown and compared with results from LIBS measurements as to demonstrate the accuracy of the LIBS-technique. The latter will be supported by clear graphs. In addition examples on the extra information resulting from measurements performed with LIBS for improvement of condition assessment and prediction will be shown.
This poster provides an overview of ultrasonic investigations of an engineered test barrier at ERAM Morsleben, which were completed as part of contractual work with the Bundesgesellschaft für Endlagerung mbH (BGE). This includes both experiments with the Large Aperture Ultrasound System (LAUS) and the ultrasonic borehole array. Also included in the poster is a description of the planned BAM thematic project “SealWasteSafe”. In particular, the proposed geopolymer materials are described and future research requirements are detailed.
Alle bislang angewendeten Verfahren zur Chloridbestimmung in Beton- und Stahlbetonbauwerken arbeiten über die Entnahme von Probenmaterial und dessen Analyse unter Laborbedingungen. Diese Methodik erfordert Zeit und generiert erhöhte Aufwendungen. Prüfverfahren, die direkt und zuverlässig solche Untersuchungen am Bauteil oder Bauwerk vornehmen können, standen bislang nicht zur Verfügung.
Eine bereits in früheren Kolloquien vorgestellte Methode der Laser-induzierten Breakdown Spektroskopie wurde innerhalb eines aktuellen Forschungsvorhabens so weiter entwickelt, dass mit Hilfe eines neuartigen mobilen und kompakten Analysegerätes die Chloridwerte nun direkt und unmittelbar auf den Betonflächen bestimmt werden können.
Validation of artificial defects for Non-destructive testing measurements on a reference structure
(2018)
Non-destructive testing was established over the last decades as an important tool for assessing damages, material characterization and quality assurance in civil engineering. For example, Ground Penetrating Radar (GPR) can be used to scan large areas of concrete structures to determine the spatial position of the reinforcement. With the ultrasonic echo method, the thickness of concrete structures can be easily determined even if a high density of reinforcement is given. Various methods and processes have been developed for the validation of NDT procedures aiming at ensuring the quality of measurements in practical use. The Probability of Detection (POD) for example, is an available method to compare different technical devices with each other quantitatively regarding their performance. With this method, the best suited testing device for a specific inspection task under defined boundary conditions can be selected. By using the Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (GUM), it is possible to quantify the measurement uncertainty of an inspection procedure for a specific task. Another important aspect to improve the acceptance of non-destructive testing methods is the development of reference specimens.
Reference specimens serve for the calibration and further development of NDT methods under realistic conditions in different laboratories under the same conditions. This is an essential prerequisite for round robin tests. A particular challenge here is the most realistic representation of a damage that can occur at building sites. Possible damages include for example horizontal and vertical cracks or honeycombs in concrete. Such a reference structure was built for the development of a new design of power plant constructions. Comparative studies on the manufacturing of realistic honeycombs and delaminations were carried out in advance on a test specimen. The results of this study are presented here.
A big part of the infrastructure is made of concrete, which is a multiphase system made of cement, aggregates, water and pores. Concrete is often used in combination with steel as reinforced concrete. Environmental influences, especially the ingress of harmful ions in combination with the ingress of water, trigger different damage processes which reduce the designed lifetime of a structure. The ingress of chlorides from de-icing salt or sea water leads to corrosion of the reinforcement. In addition, the carbonation of the concrete may trigger the corrosion of the reinforcement. The ingress of alkalis from deicing salts may cause the expansion of the amorphous silica aggregates (alkali-silica reaction) through
formation of a swelling gel of calcium silicate hydrate if water is present. The ingress of sulphates may cause spalling of the concrete surface due to ettringite formation.
For the standard procedure in civil engineering cores are taken, cut in slices, grinded and the obtained homogenized powder is solved in acid and investigated by standard procedures.
BAM has developed the LIBS technique for the 2D evaluation of the chemical composition of concrete. The technique is established for automated laboratory use with high numbers of samples to investigate transport processes of harmful species (Cl-, CO2 , SO4 2-and alkalis) in concrete. Information about ingress depth and the quantitative values are important to estimate the remaining lifetime of the infrastructure. LIBS is a surface technique. To get information about the ingress depth, a drill core has to be taken and cut in the middle. The measurements are carried out at the cross section. The main advantages of LIBS are the direct measurement on the surface of the concrete, fast analysis (sample rate 100 Hz) with a spatial resolution of up to 100 µm, the consideration of the heterogeneity of the concrete and the possibility of automated measurements which save a lot of manpower and time. As an example the investigation of ingress profiles for standard diffusion and migration tests in civil engineering takes hours in comparison to just a few minutes using LIBS. At the same time a 2D-evaluation provides information about hot spots of elemental concentration which may not be found by standard methods.
The state of the art of LIBS technique for applications in civil engineering will be presented, including typical results of 2D investigation of concrete in laboratory. The performance is also demonstrated by examples for onsite applications using a mobile LIBS system. The road map to standardization is presented as well.
Nuklear magnetische Resonanz (NMR) etabliert sich zunehmend im Bauingenieurwesen als eine alternative Methode zur zerstörungsfreien Feuchtebestimmung in Baustoffen. Schäden, die durch einen zu hohen Anteil an Flüssigwasser auftreten können, sind Ablösungen, Korrosion, Frostschäden, Induktion von Salzkristallisationen, etc. Aufgrund der Sensitivität für 1H-Protonen, ist NMR eine geeignete Methode zur Feuchtedetektion. Dabei kann laut Theorie zwischen frei, chemisch oder physikalisch gebundenem Wasser differenziert werden, während in der Praxis abhängig von der Messtechnik und Probengröße größtenteils nur das freie Wasser detektierbar ist. Mithilfe der NMR Relaxometrie lassen sich nicht nur Relaxationsabklingkurven ermitteln, sondern auch Relaxationszeitenverteilungen, sowie bei Vollsättigung ggf. eine Porengrößenverteilung ableiten. Darüber hinaus lassen sich erste Annahmen über die Entwicklung der Porensättigung bei Teilsättigung der Probe treffen.
Ziel dieser Arbeit war die Untersuchung der zeitlichen Entwicklung der Porensättigung während des natürlichen Trocknungsprozesses (Teilsättigung) sowie die Ermittlung der Porengrößenverteilung an Beispiel von zementgebundenen Estrichen. Für den Versuch wurden zwei zementgebundene Estrichproben nach abgeschlossener Hydratation wieder aufgesättigt. Während des anschließenden natürlichen Trocknungsprozesses wurden regelmäßig NMR-Messungen durchgeführt sowie die Massenentwicklung observiert. Hauptfokus lag auf der zeitlichen und tiefenabhängigen Entwicklung der Relaxationszeitenverteilungen. Bei fortschreitender Trocknung der Proben konnte eine Verschiebung des Maximums der Relaxationszeitenverteilung zu kleineren Zeiten beobachtet werden. Die Ursache liegt zum einen in dem abnehmenden Anteil an freiem Wasser in größeren Poren und zum anderen in dem verhältnismäßig zunehmenden Signalanteil durch Wasser in kleineren Poren.
Durch den Vergleich mit Quecksilberporosimetrie und Gas-Adsorptions-Ergebnissen, konnte aus den NMR-Daten eine unimodale Porengrößenverteilung mit einer dominanten Porengröße von 0,08 bis 0,1 µm und eine effektive Oberflächenrelaxivität von ca. 10 bis 30 µm/s abgeleitet werden.
Seismic interferometry (SI) deals either with the sensible detection of changes in the subsurface or with the reconstruction of virtual signals between two receivers by crosscorrelation of signals from diffuse sources. These concepts can be applied in NDT in civil engineering for various purposes, e. g. to detect changes in bridges. Here it is demonstrated using data from a reference structure on our test site. Practical applications can be expected in the very near future.
Ultrasonic transmission measurements are used to monitor concrete elements mostly on a laboratory scale since decades.
Recently, coda wave interferometry, a technique adapted from seismology, has been introduced to civil Engineering experiments. It can be used to reveal subtle changes in concrete samples and even large construction elements without having a transducer directly at the location where the change is taking place. The methodology works best with embedded transducers to avoid coupling issues or excessive environmental influence. These transducers can be used for newly built and existing structures. Recently, large concrete beams have been equipped with a network of transducers and loaded until failure. Using code wave interferometry, it was possible to visualize stress fields and damaged areas.
Seismic interferometry (SI) deals either with the sensible detection of changes in the subsurface or with the reconstruction of virtual signals between two receivers by crosscorrelation of signals from diffuse sources. These concepts can be applied in NDT in civil engineering for various purposes, e. g. to detect changes in bridges. Here it is demonstrated using data from a reference structure on our test site. Practical applications can be expected in the very near future.
Concrete is often used in combination with steel as reinforced concrete. Environmental influences, especially the ingress of harmful ions in combination with the ingress of water, trigger different damage processes which reduce the designed lifetime of a structure. The ingress of chlorides from de-icing salt or sea water leads to corrosion of the reinforcement. Also the carbonation of the concrete may trigger the corrosion of the reinforcement. The ingress of alkalis from de-icing salts may cause the expansion of the amorphous silica aggregates (alkali-silica reaction) through formation of a swelling gel of calcium silicate hydrate if water is present. The ingress of sulfates may cause spalling of the concrete surface due to ettringite formation.
BAM has developed the LIBS technique for automated laboratory use with high numbers of samples to investigate transport processes of harmful species (Cl-, CO2, SO42- and alkalis) in concrete. Information about ingress depth and the quantitative values are important to estimate the remaining lifetime of the infrastructure. To get information about the ingress depth, a core has to be taken and cut in the middle. The measurements are carried out at the cross section. The main advantages of LIBS are the direct measurement on the surface of the concrete, fast analysis (sample rate 100 Hz) with a spatial resolution of up to 100 µm, the consideration of the heterogeneity of the concrete. The possibility of automated measurements saves a lot of manpower and time. At the same time a 2D-evaluation provides information about hot spots of elemental concentration which may not be found by standard methods.
Typical results of 2D investigation of concrete in laboratory will be presented. The performance is also demonstrated by examples for onsite applications using a mobile LIBS system. The road map to standardization is presented as well.
Die „Laser Induced Breakdown Spectroscopy“ (LIBS) bietet die Möglichkeit, direkt auf der optisch zugänglichen Oberfläche von Baustoffen 2-dimensional die Elementverteilung zu erfassen. Durch das zugrundeliegende Prinzip sind alle Elemente des Periodensystems detektierbar, auch leichte Elemente wie Wasserstoff oder Lithium.
Einerseits können alle für die Zusammensetzung des Zementes und der Gesteinskörnung relevanten Elemente erfasst werden, andererseits auch die für Schädigungsprozesse in Beton wichtigen Elemente Chlor, Schwefel, Natrium, Kalium, Kohlenstoff und Stickstoff. Der Nachweis kann simultan erfolgen.
Der Vorteil des Verfahrens liegt in der einfachen Probenvorbereitung, der direkten Messung auf der Oberfläche des Festkörpers und der Schnelligkeit der Messung. Die Heterogenität von Beton wird im Ergebnis berücksichtigt. Die Konzentrationen von schädigenden Ionen lassen sich bezogen auf den Bindemittelgehalt angeben. LIBS liefert standardmäßig qualitative Werte. Durch Kalibrierung anhand von Referenzproben ist eine Quantifizierung der Ergebnisse möglich.
Das Potenzial des Verfahrens wird am Beispiel der Bestimmung der Chlorid-Verteilung in der Bindemittelmatrix vorgestellt. Andere Anwendungen sind die Bestimmung der Karbonatisierungstiefe, die Bestimmung des Eintrages von Alkalien oder die Bestimmung der Verteilung von Schwefel.
Das Verfahren kann im Labor zur Untersuchung einer großen Anzahl von Proben oder vor-Ort zur schnellen Entscheidungsfindung eingesetzt werden. Kommerzielle Geräte sind seit kurzem verfügbar.
Die örtliche Auflösung der Messung beträgt bis zu 0,1 mm × 0,1 mm. Ein Messpunkt hat einen Durchmesser von ca. 100 μm. Die Messfrequenz liegt bei 100 Hz. Als Ergebnis entstehen für jedes Element eine 2D-Darstellungen der Konzentration über der Messfläche.
Der Scan eines Bohrkerns von 50 mm x 70 mm dauert bei einer Auflösung von 0,5 mm lateral und 1 mm vertikal ca. 7 min. Es können auch raue oder gebrochene Oberflächen durch Nachführung der z-Achse untersucht werden. Die Nachweisgrenze für die Bestimmung des Chlorgehaltes bezogen auf den Bindemittelgehalt liegt bei 0,03 M-%.
Der Unterausschuss LIBS im Bauwesen im FA ZfP im Bauwesen der DGZfP arbeitet an der Erstellung von Merkblättern und Regelwerken zur Anwendung des Verfahrens.
The Laser-induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) is an useful analytical technique for the chlorine detection in building materials, specifically in the reinforcement concrete. If chlorine exceeds a specific concentration threshold, the result can be pitting corrosion of the reinforcement, which affects the stability and lifetime of building structures like marine constructions, bridges or parking decks. The critical chlorine content based to cement is 0.4 wt.-% based to the cement for reinforced concrete. The ingress of chlorides from sea water or de-icing salt leads to corrosion of the reinforcement.
The chlorine spectral line Cl I at 837.59 nm shows a good performance in helium atmosphere. For measurements without helium we used a electric discharge setup to reheat the Laser-induced plasma with a voltage below 100 V. In this case the reheating shows an increasing chlorine emission in air atmosphere.
This work shows chlorine calibration curves with LIBS in a helium flow and LIBS with electric discharge reheating in air atmosphere. The determination of the limit of detection (LOD) for both setups and the measurement results of a drill core sample with a quantitative chlorine ingress profile will be presented.
In civil engineering, the laser-induced breakdown spectroscopy has been applied as a fast and reliable method for a quantitative evaluation of concrete cores. Due to a two-dimensional scanning, the heterogeneity of concrete can be evaluated and elements like Cl, Na, and S are related to the cement matrix only. This study deals with the temporal evaluation and imaging of laser-induced plasmas on cement-based materials, in order to investigate the impact of aggregates with diffrent grain size on the spectral response in LIBS.
For the determination of the remaining life-time and the degree of damage of reinforced concrete structures such as marine construction, bridges or parking decks, a highly precise measurement of harmful species is also required for trace elements. One of the most interesting elements is chlorine, because above a certain threshold corrosion is triggered. To increase the intensity of the chlorine line, helium is usually used, which is costly. To overcome this problem, low electrical discharge reheating is used which operates in air atmosphere. A comparison between results obtained by measuring with helium and reheating by electrical discharge is presented. The performance is compared by the resulting calibration curves and the calculated limit of detection obtained by 15 reference samples based on cement with NaCl. Concentrations of reference samples range from 0.05 to 2.5 wt% chlorine.
The durability and the lifetime of reinforced concrete structures can be drastically reduced by the influence of damage processes. One of the most common causes is chloride-induced corrosion, which is triggered by increased chloride content near the reinforcement. In a study, the chloride content should be determined directly at corrosion areas. The LIBS system used consists of a micro-chip laser (3 mJ, 100 Hz, 1.5ins) and two compact spectrometers covering the wavelength range of 177-355 nm (UV) and 750-940 nm (NIR). The analysis of the chloride content was carried out via the atomic chlorine spectral line 837.59 nm, using helium for signal amplification. Calibrations were carried out for quantitative chlorine measurements with 15 reference samples in the working range of 0.05 to 6.00 wt% chlorine. The calibration of the LIBS system was done according to DIN 32 645 and was tested for linearity. The determination of the quantitative chlorine contents was carried out on samples which were broken and thus have a high surface roughness. This requires real time correction of the focus point to compensate for the roughness of the samples. The poster shows spatially resolved element distributions and determined quantitative chloride concentrations near the corrosion Areas.
Quantitative on-site analysis of harmful elements in building structures with a mobile LIBS-System
(2018)
Environmental influences and damage processes drastically reduce the durability of concrete and reinforced concrete structures. Much of this damage can be traced back to the penetration of harmful elements into the concrete. These elements cause damage processes such as the chlorine-induced corrosion, the alkali-silica reaction or the carbonization. For the maintenance the knowledge of the element concentration and the penetration depth of these harmful elements is essential. Based on this data, a maintenance concept can be developed and an estimation of the remaining service life-time can be carried out.
Typically, chemical analyzes are used to determine harmful elements in concrete, which are costly and time consuming. As an alternative method LIBS is used. On-site measurements were carried out with a mobile LIBS-System to determine harmful elements in a parking garage. A scanner is used to obtain a two-dimensional element mapping. For the quantitative analysis, a calibration of the system is carried out with 15 reference samples based on cement with NaCl with a concentration range of chlorine of 0.05 to 2.5 wt.%. To determine the penetration profile of the harmful element chlorine, concrete cores were drilled, split and analyzed directly on-site.
Schädigungen durch Korrosion der Bewehrung von Stahlbetonbauwerken unserer Infrastruktur sind u. a. mit dem Eindringen von Chloriden aus Tausalzen oder Meereswasser verbunden. In den Regelwerken sind daher Grenzwerte für den maximal zulässigen Chlorid-Gehalt deiniert. Die Einhaltung dieser Grenzwerte wird in der Praxis über die Entnahme von Bohrmehl oder die Entnahme von Bohrkernen überwacht. Die Bohrkerne werden in Zylindersegmente von meist zwei cm Höhe geschnitten, dann gemahlen und mit Säure aufgeschlossen. Das Bohrmehl aus verschiedenen Tiefenabschnitten kann direkt mit Säure aufgeschlossen werden. Der Chlorid-Gehalt im Aufschluss wird dann meist mittels Potentiometrischer Titration bestimmt. Dieses Vorgehen ist mit einem hohen Zeit- und Personalaufwand verbunden. Die Information über die Heterogenität des Betons geht dabei aufgrund der Homogenisierung bei der Probenvorbereitung oder bei der Entnahme von Bohrmehl verloren. Der Chlorid-Gehalt wird in der homogenisierten Betonprobe (Zement, Wasser und Gesteinskörnung) analysiert und die Werte bezogen auf den Beton angegeben. Demgegenüber sind die Grenzwerte des maximal zulässigen Chlorid-Gehaltes auf den Zement bezogen. Da die Rezeptur des Betons fast nie verfügbar ist, wird die Umrechnung vom Gehalt bezogen auf den Beton zum Gehalt bezogen auf den Zement über eine zusätzliche Analyse oder durch Abschätzung durchgeführt.
Als Ergänzung zum Standardverfahren wurde in der Bundesanstalt für Materialforschung und –prüfung das LIBS- Verfahren (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) für die Untersuchung der chemischen Zusammensetzung von Baustofen im Labor seit einigen Jahren erfolgreich eingesetzt. In einem vom Bundeswirtschatsministerium geförderten Projekt sollten die sich ergänzenden Kompetenzen eines Forschungspartners (BAM), eines Geräteherstellers (SECOPTA analytics GmbH) und eines potentiellen Anwenders (Ingenieurbüro Specht, Kalleja und Partner) in die Entwicklung eines mobilen LIBS Gerätes (BauLIBS) eingehen. Dieser Artikel stellt das Messprinzip und seine wesentlichen Vorteile vor, gibt einen Überblick über das entwickelte mobile LIBS-Gerät und seine Leistungsparameter.
Anschließend werden einige erfolgreiche Anwendungsbeispiele zur Untersuchung von Schädigungsprozessen direkt an der Beton-Infrastruktur vorgestellt und ein Ausblick auf zuküntige Entwicklungen gegeben. Das BauLIBS-Gerät liefert dem sachkundigen Planer Daten für die Bewertung des Istzustandes von Bauwerken unserer Infrastruktur durch die zweidimensionale Erfassung von Elementverteilungen. Typische Anwendungen sind die Erfassung von Chlor, Schwefel, Kohlenstof, Natrium, Kalium und Lithium in Beton oder als Qualitätssicherung der Nachweis der mit einem Marker versehenen Tiefenhydrophobierung.
Die Laserinduzierte Plasmaspektroskopie (engl.: Laser-induced Breakdown Spectroscopy, kurz: LIBS) ist eine Kombination aus Laserablation mittels eines energiereichen Laser-Pulses, der Erzeugung eines Plasmas auf der zu untersuchenden Oberfläche und dem quantitativen Nachweis der Elementzusammensetzung durch spektroskopische Untersuchung der vom Plasma emittierten Strahlung. Ein LIBS-Gerät liefert dem sachkundigen Planer Daten für die Bewertung des Ist-Zustandes von Bauwerken unserer Infrastruktur durch die zweidimensionale Erfassung von Elementverteilungen. Typische Anwendungen sind die Erfassung von Chlor, Schwefel, Kohlenstoff, Natrium, Kalium und Lithium in Beton oder als – Qualitätssicherung – der Nachweis der mit einem Marker versehenen Tiefenhydrophobierung.
In Zusammenarbeit zwischen Industriepartnern und der BAM wurden ein Labor und ein mobiles LIBS-System für die Vor-Ort-Messungen entwickelt. Die Analyse erfolgt vollautomatisch. Die Ortsauflösung beträgt bis zu 0,1 mm x 0,1 mm. Es können Messflächen von 140 mm x 170 mm gescannt werden. Die Erstellung von 2D-Elementverteilungen im Beispiel unten benötigt weniger als 10 Minuten.
Reliability assessment of existing bridge constructions based on results of non-destructive testing
(2018)
The non-destructive testing methods available for civil engineering (NDT-CE) enable the measurements of quantitative parameters, which realistically describe the characteristics of existing buildings. In the past, methods for quality evaluation and concepts for validation expanded into NDT-CE to improve the objectivity of measured data. Thereby, a metrological foundation was developed to collect statistically sound and structurally relevant information about the inner construction of structures without destructive interventions. More recently, the demand for recalculations of structural safety was identified. This paper summarizes a basic research study on structural analyses of bridges in combination with NDT. The aim is to use measurement data of nondestructive testing methods as stochastic quantities in static calculations. Therefore, a methodical interface between the guide to the expression of uncertainty in measurement and probabilistic approximation procedures (e.g. FORM) has been proven to be suitable. The motivation is to relate the scientific approach of the structural analysis with real information coming from existing structures and not with those found in the literature. A case study about the probabilistic bending proof of a reinforced concrete bridge with statistically verified data from ultrasonic measurements shows that the measuring results fulfil the requirements concerning precision, trueness, objectivity and reliability.
The majority of the built infrastructure is made of concrete, which is a multiphase system made of cement, aggregates, water and pores. Concrete is often used in combination with steel as reinforced concrete. Environmental influences, especially the ingress of harmful ions in combination with the ingress of water, trigger different damage processes which reduce the designed lifetime of a structure. The ingress of chlorides from de-icing salt or sea water leads to corrosion of the reinforcement. Also the carbonation of the concrete may trigger the corrosion of the reinforcement. The ingress of alkalis from de-icing salts may cause the expansion of the amorphous silica aggregates (alkali-silica reaction) through formation of a swelling gel of calcium silicate hydrate if water is present. The ingress of sulfates may cause spalling of the concrete surface due to ettringite formation.
For the standard procedure in civil engineering cores are taken, cut in slices, grinded and the obtained homogenized powder is solved in acid and investigated by standard procedures.
BAM has developed the LIBS technique for the 2D evaluation of the chemical composition of concrete [1-11]. The technique is established for automated laboratory use with high numbers of samples to investigate transport processes of harmful species (Cl-, CO2, SO42- and alkalis) in concrete. Information about ingress depth and the quantitative values are important to estimate the remaining lifetime of the infrastructure. LIBS is a surface technique. To get information about the ingress depth, a core has to be taken and cut in the middle. The measurements are carried out at the cross section. The main advantages of LIBS are the direct measurement on the surface of the concrete, fast analysis (sample rate 100 Hz) with a spatial resolution of up to 100 µm, the consideration of the heterogeneity of the concrete and the possibility of automated measurements which save a lot of manpower and time. As an example the investigation of ingress profiles for standard diffusion and migration tests in civil engineering takes hours in comparison to just a few minutes using LIBS. At the same time a 2D-evaluation provides information about hot spots of elemental concentration which may not be found by standard methods.
Ingress of chlorides due to a crack in a repair mortar. Left: Photo of the cross section of a concrete core and the surface investigated by LIBS (area 70 mm x 70 mm). Right: Color coded chlorine intensity on the cross section of a concrete core, dark red represents high chlorine content.
The state of the art of LIBS technique for applications in civil engineering will be presented, including typical results of 2D investigation of concrete in laboratory. The performance is also demonstrated by examples for onsite applications using a mobile LIBS system. The road map to standardization is presented as well.
Detection of ion ingress by LIBS for Evaluation of the remaining lifetime of a concrete structure
(2018)
The majority of the built infrastructure is made of concrete, which is a multiphase system made of cement, aggregates, water and pores. Concrete is often used in combination with steel as reinforced concrete. Environmental influences, especially the ingress of harmful ions in combination with the ingress of water, trigger different damage processes which reduce the designed lifetime of a structure. The ingress of chlorides from de-icing salt or sea water leads to corrosion of the reinforcement. Also the carbonation of the concrete may trigger the corrosion of the reinforcement. The ingress of alkalis from de-icing salts may cause the expansion of the amorphous silica aggregates (alkali-silica reaction) through formation of a swelling gel of calcium silicate hydrate if water is present. The ingress of sulfates may cause spalling of the concrete surface due to ettringite formation.
For the standard procedure in civil engineering cores are taken, cut in slices, grinded and the obtained homogenized powder is solved in acid and investigated by standard procedures.
BAM has developed the LIBS technique for the 2D evaluation of the chemical composition of concrete [1-11]. The technique is established for automated laboratory use with high numbers of samples to investigate transport processes of harmful species (Cl-, CO2, SO42- and alkalis) in concrete. Information about ingress depth and the quantitative values are important to estimate the remaining lifetime of the infrastructure. LIBS is a surface technique. To get information about the ingress depth, a core has to be taken and cut in the middle. The measurements are carried out at the cross section. The main advantages of LIBS are the direct measurement on the surface of the concrete, fast analysis (sample rate 100 Hz) with a spatial resolution of up to 100 µm, the consideration of the heterogeneity of the concrete and the possibility of automated measurements which save a lot of manpower and time. As an example the investigation of ingress profiles for standard diffusion and migration tests in civil engineering takes hours in comparison to just a few minutes using LIBS. At the same time a 2D-evaluation provides information about hot spots of elemental concentration which may not be found by standard methods.
Ingress of chlorides due to a crack in a repair mortar. Left: Photo of the cross section of a concrete core and the surface investigated by LIBS (area 70 mm x 70 mm). Right: Color coded chlorine intensity on the cross section of a concrete core, dark red represents high chlorine content.
The state of the art of LIBS technique for applications in civil engineering will be presented, including typical results of 2D investigation of concrete in laboratory. The performance is also demonstrated by examples for onsite applications using a mobile LIBS system. The road map to standardization is presented as well.
Auf dem Weg zum gläsernen Beton neues Analyseverfahren mit laserinduzierter Plasmaspektroskopie
(2018)
Die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (LIPS) oder englisch: Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) ist eine Kombination aus Laserablation mittels energiereichem Laser-Puls, der Erzeugung eines Plasmas auf der zu untersuchenden Oberfläche und dem quantitativen Nachweis der Elementzusammensetzung durch die spektroskopische Untersuchung der vom Plasma emittierten Strahlung. Das Verfahren wird z. B. in der Prozessanalytik, der Sortierung von Rest- und Rohstoffen oder zur Qualitätssicherung in der pharmazeutischen Industrie angewendet.
Das LIPS arbeitet scannend und liefert die zweidimensionale Verteilung der Konzentrationen ausgewählter Elemente – und das auch auf rauen Oberflächen. Alle Elemente können auch gleichzeitig erfasst werden. Damit lassen sich beispielsweise Unterschiede im Eindringverhalten von Chlor und Natrium dokumentieren. Nach einer Kalibrierung stehen quantitative Werte zur Verfügung.
Zurzeit sind Geräte für automatisierte Messungen im Labor und vor Ort verfügbar. Die scannende Messung, mit einer Ortsauflösung von bis zu 80 µm, erfasst die Heterogenität des Betons. Damit kann die ermittelte Konzentration direkt auf den Bindemittelgehalt bezogen werden. Die Messfrequenz beträgt aktuell 100 Hz. Beispielsweise dauert die Erfassung des Chlorgehaltes in einem Bohrkern mit 50 mm Durchmesser und einer Länge von 80 mm, bei drei Mittelungen pro Messpunkt und einer Auflösung von 0,5 mm, nur 8 Minuten. Das Ergebnis steht direkt nach der Messung als „Elementlandkarte“ zur Verfügung. Durch die hohe Ortsauflösung des Verfahrens können z. B. fundiertere Eingangsparameter für Modellrechnungen erzeugt oder der Transport durch Risse visualisiert werden.
Ein LIPS-Gerät liefert Daten für die Bewertung des Istzustandes von Infrastrukturbauwerken. Typische Anwendungen sind die Erfassung von Chlor, Schwefel, Kohlenstoff, Natrium, Kalium und Lithium im Beton oder der Nachweis, der mit einem Marker versehenen Tiefenhydrophobierung, welcher zur Qualitätssicherung herangezogen wird.
Die Messungen sind schnell und automatisiert, so dass eine große Anzahl von Betonkernen in kurzer Zeit ausgewertet werden kann. Die Nachweisgrenze für die Bestimmung der Chlorid-Konzentration liegt mit 0,04 % deutlich unterhalb der allgemein akzeptierten Grenze für die Initiierung der Bewehrungskorrosion von 0,5 % (bezogen auf den Bindemittelgehalt). Dies bestätigten auch Vor-Ort-Messungen, wo Staub und Erschütterungen wenig Einfluss auf die Ergebnisse hatten und das Messsystem sich als stabil und robust erwiesen hat.
Eine technische Spezifikation und Regeln für die Anwendung des Verfahrens erarbeitet der neu gegründete Unterausschuss LIBS im Fachausschuss Zerstörungsfreie Prüfung im Bauwesen der Deutsche Gesellschaft für Zerstörungsfreie Prüfung e.V..
Die Laserinduzierte Plasmaspektroskopie (engl.: Laser-induced Breakdown Spectroscopy, kurz: LIBS) ist eine Kombination aus Laserablation mittels eines energiereichen Laser-Pulses, der Erzeugung eines Plasmas auf der zu untersuchenden Oberfläche und dem quantitativen Nachweis der Elementzusammensetzung durch spektroskopische Untersuchung der vom Plasma emittierten Strahlung. Ein LIBS-Gerät liefert dem sachkundigen Planer Daten für die Bewertung des Ist-Zustandes von Bauwerken unserer Infrastruktur durch die zweidimensionale Erfassung von Elementverteilungen. Typische Anwendungen sind die Erfassung von Chlor, Schwefel, Kohlenstoff, Natrium, Kalium und Lithium in Beton oder als – Qualitätssicherung – der Nachweis der mit einem Marker versehenen Tiefenhydrophobierung.
In Zusammenarbeit zwischen Industriepartnern und der BAM wurden ein Labor und ein mobiles LIBS-System für die Vor-Ort-Messungen entwickelt. Die Analyse erfolgt vollautomatisch. Die Ortsauflösung beträgt bis zu 0,1 mm x 0,1 mm. Es können Messflächen von 140 mm x 170 mm gescannt werden. Die Erstellung von 2D-Elementverteilungen im Beispiel unten benötigt weniger als 10 Minuten.
Two calibration-free LIBS techniques are used for the quantitative analysis of synthetic cement samples: the CF-LIBS based on the Boltzmann plot method and the Monte Carlo (MC) LIBS based on the iterative spectrum fitting. In CF-LIBS, the inverse problem is solved, i.e. the elemental concentrations are determined by the reconstruction of plasma parameters from spectra. The MC-LIBS technique solves the direct problem by finding the highest correlation between the model-generated and experimental spectrum. The accuracy of both calibration-free LIBS methods suffers from factors such as inaccurately determined instrumental function, the deviation of experimental plasma from the mathematical model used, not taking into account the collection geometry and from the uncertainty of spectroscopic data. Therefore, the both calibration-free LIBS approaches are applied to synthetic spectra which perfectly suit the mathematical model of the method. This test yields the accuracy of both the approaches for the ideal case. In addition, the accuracy of both methods is investigated for non-isothermal plasma, because real laser-induced plasma often has high gradients in temperature. Both methods assume an isothermal plasma.
The non-destructive testing methods available for civil engineering (NDT-CE) enable the measurements of quantitative parameters, which realistically describe the characteristics of existing buildings. In the past, methods for quality evaluation and concepts for validation expanded into NDT-CE to improve the objectivity of measured data. Thereby, a metrological foundation was developed to collect statistically sound and structurally relevant information about the inner construction of structures without destructive interventions. More recently, the demand for recalculations of structural safety was identified. This paper summarizes a basic research study on structural analyses of bridges in combination with NDT. The aim is to use measurement data of nondestructive testing methods as stochastic quantities in static calculations. Therefore, a methodical interface between the guide to the expression of uncertainty in measurement and probabilistic approximation procedures (e.g. FORM) has been proven to be suitable. The motivation is to relate the scientific approach of the structural analysis with real information coming from existing structures and not with those found in the literature. A case study about the probabilistic bending proof of a reinforced concrete bridge with statistically verified data from ultrasonic measurements shows that the measuring results fulfil the requirements concerning precision, trueness, objectivity and reliability.
Air‑coupled ferroelectret ultrasonic transducers for nondestructive testing of wood‑based materials
(2018)
Air-coupled ultrasound (ACU) is used in through transmission to detect delamination, rot, and cracks in wood without altering the structure permanently. Novel ferroelectret transducers with a high signal-to-noise ratio enable high-precision structure recognition. Transducers made of cellular polypropylene are quite suitable for ACU testing due to their extremely low Young’s modulus and low density resulting in a favorable acoustic impedance for the transmission of ultrasonic waves between the transducer and air. Thus, structures with great dimensions, with a thickness of up to 300 mm and material densities below 500 kg/m3, can be inspected. Promising results were obtained under laboratory conditions with frequencies ranging from 90 to 200 kHz. The advantage of ACU transducers is that they do not equire contact to the sample; they are accurate and cost-effective. Ultrasonic quality assurance for wood is an important avenue to increase the acceptance of wooden structures and toward sustainability in civil engineering in general.
The determination of chloride is still one of the main tasks for the evaluation of reinforced concrete structures.
The corrosion of the reinforcement induced by the penetrating chlorides is the dominant damage process affecting the lifetime of concrete structures. In the recent years different research groups demonstrated that LIBS can be a fast and reliable method to quantify chlorine in cement-bound materials. Because chlorine in concrete can only occur as solved ions in the pore solution or bound in salts or hydrated cement phases, the detected emission of chlorine can be correlated with the chloride concentration determined e.g. with potentiometric titration. This work inter alia describes the production of reference samples and possible side effects during the production process. Due to transport processes in the porous matrix of the cement a misinterpretation of the concentrations is possible. It is shown how to overcome these effects and higher precisions of the single measurements can be realised. Using the calibration method, blank sample method and noise method, three different ways of calculating the limit of detection (LOD) and limit of quantification (LOQ) are compared. Due to the preparation of the reference samples a precision of the whole calibration model of sx0 = 0.023 wt% is determined.
The validation of the model is based on different test sets, which are varying in their composition
(different Cl-salts, water-to-cement ratios and additives). The determined mean error of the validation is
0.595 ± 0.063 wt%, which is comparable to standardised methods like potentiometric titration, direct potentiometry
or photometry (0.40 ± 0.06 wt%) [1].
Validation of artificial defects for non-destructive testing measurements on a reference structure
(2018)
Non-destructive testing was established over the last decades as an important tool for assessing damages, material characterization and quality assurance in civil engineering. For example, Ground Penetrating Radar (GPR) can be used to scan large areas of concrete structures to determine the spatial position of the reinforcement. With the ultrasonic echo method, the thickness of concrete structures can be easily determined even if a high density of reinforcement is given. Various methods and processes have been developed for the validation of NDT procedures aiming at ensuring the quality of measurements in practical use. The Probability of Detection (POD) for example, is an available method to compare different technical devices with each other quantitatively regarding their performance. With this method, the best suited testing device for a specific inspection task under defined boundary conditions can be selected. By using the Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (GUM), it is possible to quantify the measurement uncertainty of an inspection procedure for a specific task. Another important aspect to improve the acceptance of Non-destructive testing methods is the development of reference specimens.
Reference specimens serve for the calibration and further development of NDT methods under realistic conditions in different laboratories under the same conditions. A particular challenge here is the most realistic representation of a damage that can occur at building sites. Possible damages include for example horizontal and vertical cracks or honeycombs in concrete. Such a reference structure was built for the development of a new design of power plant constructions. Comparative studies on the manufacturing of realistic honeycombs and delaminations were carried out in advance on a test specimen. The results of this study are presented here.
The ageing and decommissioning of nuclear concrete infrastructure (e. g. safety containments) as well as the building and closure of waste repositories gives new challenges to non-destructive testing. For example, the quality assurance of very thick concrete structures is beyond the limitations of commercial ultrasonic instrumentation.
The presentation introduces typical testing tasks and the application of state of the art NDT techniques. In addition, it describes some new developments in ultrasonic testing and monitoring. Specifically, the application of the unique deep penetration system LAUS is shown. Ultrasonic monitoring using embedded transducers to check for subtle and sudden changes in the material is introduced as well.
Half-Cell-Potential Mapping (HP) is the most popular non-destructive testing (NDT) method for the detection of active corrosion in reinforced concrete. HP is influenced by parameters such as moisture and chloride gradients in the component. The sensitivity to the spatially small, but dangerous pitting is low. In this study we show how additional measurement information can be used with multi-sensor data fusion to improve the detection performance and to automate data evaluation. The fusion is based on supervised machine learning (SML). SML are methods that recognize relationships in (sensor) data based on given labels. We use SML to distinguish "defective" and "intact" labeled areas in our dataset. It consists of 18 measurement - each contains HP, ground radar, microwave moisture and Wenner resistivity data. Exact labels for changing environmental conditions were determined in a laboratory study on a reinforced concrete slab, which deteriorated controlled and accelerated. The deterioration progress was monitored continuously and corrosion was generated targeted at a predefined location. The detection results are quantified and statistically evaluated. The data fusion shows a significant improvement over the best single method (HP). We describe the challenges of data-driven approaches in nondestructive testing and show possible solutions.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der experimentellen Validierung eingebetteter Sensorik zur pH-Wert Bestimmung basierend auf Fluoreszenspektroskopie.
Bisherige Karbonatisierungsmessungen basieren auf zerstörenden Methoden. Durch das Einbetonieren von immer erreichbaren pH-Sonden wird die Überprüfung zerstörungsfrei.
Um ein fehlerfreies, reproduzierbares Ergebnis zu gewährleisten, mussten diese pH-Sonden zunächst getestet und eine ausreichend präzise Methode zur Messung entwickelt werden.
Durch das Vorgeben unterschiedlicher pH-Milieus und dem Testen verschiedener Messmethoden und Versuchsaufbauten werden Situationen im Beton simuliert.
Hierzu werden die pH-Sonden mit unterschiedlich starken basischen und neutralen Lösungen in Kontakt gebracht, wodurch der in den Sonden befindliche Indikator je nach pH-Wert eine blaue oder orange Färbung annimmt. In den Sonden befindliche Quantenpunkte werden durch einen Laser angeregt. Diese Quantenpunkte fluoreszieren aufgrund der Anregung im blauen und orangen Spektrum. Mithilfe der Fluoreszenzspektroskopie wird die durch den Indikator gefilterte Fluoreszenz in Reflexion und Transmission gemessen. Die Ergebnisse werden genutzt, um ein Verhältnis zwischen den zwei Wellenlängen zu berechnen, anhand dessen zu erkennen ist, welche Farbe der Indikator in den Sonden angenommen hat. Die experimentelle Validierung dient der Optimierung der Methodik, des Versuchsaufbaus und der Zusammensetzung der Sonden. Nach eine Reihe unterschiedlicher Versuche, werden Bedingungen geschaffen, welche zu den gewünschten Ergebnissen führen. Das in Reflexion gemessene Licht kann Aussage darüber geben, welche Farbe der Indikator annimmt und das Verhältnis zwischen dem blauen und dem orangen Spektrum gibt die erwarteten Werte zurück. Die Ergebnisse dieser Arbeit sollen in Betonprobekörpern angewandt werden, um die hier erprüfte Methode in Realbedingungen zu testen.
We investigated the possibility of surrounding waves
along with perimeter of large diameter tendon ducts during
ground penetrating radar (GPR) testing of concrete structures.
The surrounding waves influence the primary reflection from
tendon duct and alter the phase as well as amplitude of signal
depending on the diameter of the tendon duct. This phenomenon
was studied in detail by conducting several simulations using a
commercial software Reflexw®. Finite Difference Time Domain
method was adopted to analyze reflection patterns from objects
of various diameters located at different depths in concrete
media.
The proposed methodology will be useful in qualitative
assessment of size of metallic objects greater than a diameter of
6 cm. In general, the identification of large diameter tendon ducts
in a civil structure is carried out by prior knowledge of the civil
plan and its diagonal appearance to smaller diameter object
mesh. The proposed methodology will enhance the confidence in
identification of the larger diameter tendon ducts even if the civil
plan is not known accurately.
We investigated the possibility of surrounding waves along with perimeter of large diameter tendon ducts during ground penetrating radar (GPR) testing of concrete structures. The surrounding waves influence the primary reflection from tendon duct and alter the phase as well as amplitude of signal depending on the diameter of the tendon duct. This phenomenon was studied in detail by conducting several simulations using a commercial software Reflexw®. Finite Difference Time Domain method was adopted to analyze reflection patterns from objects of various diameters located at different depths in concrete media.
The proposed methodology will be useful in qualitative assessment of size of metallic objects greater than a diameter of 6 cm. In general, the identification of large diameter tendon ducts in a civil structure is carried out by prior knowledge of the civil plan and its diagonal appearance to smaller diameter object mesh. The proposed methodology will enhance the confidence in identification of the larger diameter tendon ducts even if the civil plan is not known accurately.
Four cement-based and four calcium-sulphate-based screed types are investigated. The samples have a diameter of 300 mm and a height of 35 or 70 mm. Up to ten humidity sensors are embedded directly during the concreting of the screed samples. Thus, the humidity over the sample height is monitored during hardening, hydration, evaporation, and oven drying. Furthermore, the screed samples are weighed during every measurement to determine the total mass and the corresponding moisture loss.
To define the pore system precisely, mercury intrusion porosimetry as well as gas adsorption is performed. According to the data, the entire pore volume distribution is known. The measured pore diameters range from 0.8 nm to 100 µm and the total porosity of the examined screeds ranges between 11% and 22%.
Based on these measurement data, moisture transport, pore saturation as well as sorption isotherms and their hysteresis may be calculated quantitatively as described in “Monitoring of the absolute water content in porous materials based on embedded humidity sensors” (Strangfeld and Kruschwitz, 1921).
Dunkelfärbung der Betonfahrbahndecke im AKR-Kontext - Ursachenanalyse mit innovativer Prüftechnik
(2018)
Die AKR-Schadensevolution von Betonfahrbahndecken ist in der Anfangsphase durch eine Dunkelfärbung der Oberfläche im Fugenbereich gekennzeichnet. Es wird vermutet, dass eine erhöhte Durchfeuchtung der Betonrandzone ursächlich für diese Erscheinung ist. Vor diesem Hintergrund wurde exemplarisch eine Fahrbahnplatte eines repräsentativen Bundesautobahnabschnitts systematisch mit verschiedenartiger zerstörungsfreier Prüftechnik vor Ort untersucht. Die Ergebnisse der zunächst erfolgten großflächigen Durchmusterung mit Radar zeigen, dass in den Bereichen mit einer Dunkelfärbung der Betonfahrbahndecke erhöhte Laufzeiten der Radarimpulse zwischen der
Oberfläche und der Rückseite der Betonfahrbahndecke auftreten, was auf eine erhöhte integrale Durchfeuchtung der Betonfahrbahndecke schließen lässt. Vertiefend durchgeführte NMR-Feuchtemessungen in der Betonrandzone zeigen eine gute Korrelation zwischen erhöhtem Feuchtegehalt und der dunkel gefärbten Fahrbahnoberfläche. Die Ergebnisse beider zerstörungsfreien Prüfmethoden lassen den Schluss zu, dass die Betonfahrbahndecke in der Nähe des Fugenkreuzes eine höhere Durchfeuchtung als im Bereich der Querscheinfuge aufweist. Die geringste Durchfeuchtung besitzt die Betonfahrbahndecke in der Plattenmitte. Die mit den zerstörungsfreien Prüfverfahren ermittelten Befunde stimmen prinzipiell gut mit den punktuell mittels Darr-Wäge-Verfahren an Bohrmehlproben gewonnenen Ergebnissen überein.
In den letzten Jahren sind im deutschen Bundesautobahnnetz vermehrt AKR-Schäden an Betonfahrbahndecken aufgetreten. Ursächlich hierfür ist die Verwendung alkaliempfindlicher Gesteinskörnung. Dies führt bei gleichzeitiger Anwesenheit von Wasser infolge der Exposition der Fahrbahndecke und des alkalischen Milieus durch den Einsatz alkalireicher Portlandzemente bei der Betonherstellung zu einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR). Zusätzlich wird der AKR-Schädigungsprozess in Betonfahrbahndecken durch den externen Tausalzeintrag (primär NaCl) im Winter begünstigt. Vor diesem Hintergrund kommt der Ermittlung des Tausalzeintrags in den Fahrbahndeckenbeton eine große Bedeutung zu.
Die Analyse des Tausalzeintrags erfolgte bisher ausschließlich nasschemisch an gemahlenen Bohrkernsegmenten. Nachteilig sind hierbei der relativ hohe prüftechnische Aufwand und die eingeschränkte Ortsauflösung. Der alternative Einsatz von LIBS (Laser-induced breakdown spectroscopy) eröffnet in diesem Kontext neue Möglichkeiten. So wird in diesem Beitrag anhand von Bohrkernen aus einem repräsentativen AKR-geschädigten BAB-Abschnitt exemplarisch die Vorgehensweise bei der LIBS-Analyse zur Ermittlung der Na- und Cl-Verteilung an vertikalen Schnittflächen von Bohrkernen aufgezeigt. Da der Tausalzeintrag primär über den Zementstein erfolgt, wurde der verfälschende Na-Grundgehalt der Gesteinskörnung mittels eines Ausschlusskriteriums (Ca-Gehalt) eliminiert. Vergleichend durchgeführte Cl-Mappings mit Mikroröntgenfluoreszenzanalyse sowie nasschemische Analysen belegen die Güte der durchgeführten LIBS-Messungen. Allerdings bedarf es bei der quantitativen Ermittlung des Natriumgehaltes in der Betonfahrbahndecke noch weitergehender Untersuchungen.
Measuring means knowing. The structural engineer’s Knowledge about structures is vitally important for the assessment of their structural safety. This contribution shows, how non-destructive testing methods can be used to collect valuable Information about existing structures. This value is expressed in this paper by the usability in probabilistic assessments and thus by the reliability of the information. The development of non-destructive testing methods in civil-engineering allows the realistic measurement and visualization of inner constructions of concrete components with a minimum of destructive interventions.
The evaluation of the quality of measurement data is of fundamental importance for quantitative measurements in order to ensure the objectivity of testing and evaluation and to assess the reliability of the knowledge acquired. Both systematic and random deviations must be identified, quantified and taken into account to obtain statistically sound data. The Focus of this contribution is on the methodical path, how displayed measurement data can be processed into reliable knowledge.
It is not about developing assessment methods but about providing
necessary knowledge to increase their operational usability.
Measuring means knowing. The structural engineer’s Knowledge about structures is vitally important for the assessment of their structural safety. This contribution shows, how non-destructive testing methods can be used to collect valuable Information about existing structures. This value is expressed in this paper by the usability in probabilistic assessments and thus by the reliability of the information. The development of non-destructive testing methods in civil-engineering allows the realistic measurement and visualization of inner constructions of concrete components with a minimum of destructive interventions.
The evaluation of the quality of measurement data is of fundamental importance for quantitative measurements in order to ensure the objectivity of testing and evaluation and to assess the reliability of the knowledge acquired. Both systematic and random deviations must be identified, quantified and taken into account to obtain statistically sound data. The Focus of this contribution is on the methodical path, how displayed measurement data can be processed into reliable knowledge.
It is not about developing assessment methods but about providing
necessary knowledge to increase their operational usability.
Structural Health Monitoring (SHM) has become very important in today's rapidly developing time. High buildings, large bridges and complex technical structures need to be monitored continuously and this over long periods.
Visual monitoring cannot evaluate the internal condition of building structures. Thus, material embedded sensors are needed. Cable connection of these sensors pose the disadvantage of weak spots and water intrusion. For concrete embedded sensors the use of batteries is not convenient, because of limited lifetime, difficult charging, and generation of electrical waste.. Hence, monitoring should be implemented preferentially with firmly embedded passive RFID sensor modules. However, since the concrete structure forms an electromagnetically reflective and absorbing barrier, only limited energy can be transmitted to the module. This project requires a highly energy-saving system, which can record different sensor parameters at critical points.
Fatigue is one of the most prevalent issues, which directly influences the service life expectancy of concrete structures. Fatigue has been investigated for years for steel structures. However, recent findings suggest that concrete structures may also be significantly subjected to the fatigue phenomena that could lead to premature failure of certainfatigue prone structural elements. To date, fatigue of reinforced concrete has been given little focus. and Kknowledge on the influence factors and durability/capacity effects on this material should be improved. Current technological means to measure fatigue in civil structures like bridges and wind turbines (both onshore and offshore) are outdated, imprecise and inappropriate.
Meanwhile, this topic has got much more attention as dynamic loading on concrete structures plays an increasing role, e.g. in bridges with increasing traffic and heavier trucks, in wind energy production due to inherent vibrations e.g. in offshore wind turbine support structures affected by wind and waves.
The European Innovative Training Networks (ITN) Marie Skłodowska-Curie Actions project INFRASTAR (Innovation and Networking for Fatigue and Reliability Analysis of Structures - Training for Assessment of Risk) provides research training for 12 PhD students. The project aims to improve knowledge for optimizing the design of new structures as well as for more realistic verification of structural safety and more accurate prediction of the remaining fatigue lifetime of existing structures.
First, the INFRASTAR research framework is detailed. Then it will be exemplified through the presentation of the major results of the four PhD students involved in the work package dealing with auscultation and monitoring. This includes the development and improvement of Fiber Optics (FO) and Coda Wave Interferometry (CWI) for crack sizing and imagery, new sensor technologies and integration, information management, monitoring strategy for fatigue damage investigation and lifetime prediction.
The LAUS: First applications of a new system for ultrasonic imaging of very concrete structures
(2018)
The LAUS (Large Aperture Ultrasonic System) has been developed to image very thick concrete structures, which are not accessible for commercial systems. The device and the corresponding software is the result of joint research of BAM, an ultrasonic instrument manufacturer and University of Kassel, Germany. It consists of 12 separate arrays of 32 point-contact shear wave transducers each, which can be deployed in flexible configurations. Each array is combined with battery and transmitter, receiver and wireless communication electronics.
Three case histories are presented. First the system was deployed on a 5-m thick heavily reinforced foundation slab. The reflection of the slab’s bottom was imaged clearly. In addition, a multiple reflection was registered, thus giving hope that even thicker elements might be imaged by the instrument. Second, the LAUS was used to investigate a massive bridge girder where a heavy rainstorm during concreting had led to imperfections that were visible after removing the formwork was removed. The LAUS could image tendon ducts in 1.8m depth and the backwall closely behind them. Some limited areas showed blurred reflections and were checked by drill holes; these areas were affected by diffuse damage which could be repaired by injections. Third, a large retaining wall was checked for thickness.
Meanwhile, the LAUS has been used in underground waste deposits (nuclear and other) for quality assurance of sealing plugs. A confirmed penetration depth of about 7 m has been reached.
Previous work has shown that ultrasonic monitoring using externally applied or embedded transducers and imaging methods based on coda wave interferometry are able to detect subtle changes in concrete elements. In this study, a limited number of embedded transducers has been used to monitor changes in several 12 m long two-span concrete beams subjected to point or linear loads until failure.
The ultrasonic results showed the high sensitivity to stress changes and the nonlinear character of the associated effects. However, the ultrasonic features showed a very good correlation to several conventional monitoring parameters. For higher loads (significant amount of cracking), the technique had to be modified to cope with large wave velocity variations and high decorrelation compared to the reference signal.
Using a very simple imaging procedure, the 2D stress field inside the beam has been visualized including inhomogeneities and artifact at places where cracking occurred at higher loads. The technique has the potential to be included in real time monitoring systems.
Die Zerstörungsfreie Prüfung im Bauwesen (ZfPBau) liefert ergänzende Informationen für die Planung von Ertüchtigungsmaßnahmen an Bauwerken. Die ZfPBau bzw. die Prüflösungen müssen zur Validierung an bestimmten Vergleichskörpern untereinander verglichen werden.
Risse in Stahlbeton sind nicht notwendigerweise ein Schaden, in DIN EN 1992-1-1 werden etwa nur Risse mit einer Rissbreite größer 0,2 mm erfasst. Risse können aber ein Hinweis auf statische Probleme sein oder einen Schadensprozess fördern, etwa die Depassivierung der Bewehrung durch die beschleunigte Diffusion von Kohlendioxid. Deshalb ist die Bestimmung der Risstiefe und des Rissverlaufs für die Dauerhaftigkeitsabschätzung eines Bauwerks von Interesse. Die Vergleichbarkeit von ZfPBau-Verfahren zur Charakterisierung von Rissen in Stahlbeton hängt wesentlich davon ab, dass die untersuchten Risse ein vergleichbares Prüfproblem darstellen. Risse in Stahlbeton werden charakterisiert durch die Rissbreite, die Risstiefe, den Rissverlauf und die Lage bzw. Orientierung zur Oberfläche. Es muss wegen der Vielzahl von Schadensbildern eine Prioritätensetzung und Fokussierung auf besonders praxisrelevante Fälle vorgenommen werden. Dazu zählen z.B. bewehrungskreuzende und oberflächenoffene Risse, die für die Tragfähigkeit einer Konstruktion relevant sein können. Eine ausgewählte Prüfaufgabe ist dann die Detektion von Rissen senkrecht zur Oberfläche und die Bestimmung der Risstiefe. Der Sprengmörtel „Betonamit“, dessen Wirkung auf seiner extremen Expansionsfähigkeit beruht, wird zur Risserzeugung in gezielt angeordnete Bohrlöcher gefüllt. Wichtig bei der Erzeugung von Rissen ist die Bohrlochparametervariation zur gezielten Risssteuerung. Es werden der Durchmesser, die Tiefe, die Füllhöhe und die Anordnung der Fülllöcher variiert. Die Risse entstehen im Wesentlichen in Abhängigkeit vom Volumen des eingefüllten Sprengmittels. Der Nachweis der Risstiefen erfolgte zerstörend, d.h. durch Sägen des Vergleichskörpers und Ausmessen der Risse. Das Poster stellt die Arbeitsschritte, die erzeugten Risse und die statistische Auswertung dar. Ein Vergleichsversuch mit internationaler Beteiligung hat begonnen mit der Zielsetzung die Risserzeugung in unterschiedlichen Umgebungen zu vergleichen.
The non-destructive assessment of cracks in concrete is a common task for which non-destructive evaluation solutions have been published. Primarily, these tests have been carried out on artificial cracks that have been created by using notches instead of natural cracks. This study evaluates a procedure designed to create reproducible and controlled cracks in concrete. The procedure is based on using expanding mortar in a series of blind holes. This is done in combination with carefully aligned reinforcement to guide the direction of the crack development. The depth of the crack is also controlled by reinforcement. Crack depth varies statistically in the range of the Maximum aggregate size (16 mm) used for concrete.
Experiments indicate that vortices trailing finite wings can be perturbed by periodic wing pitching, leading to rapid dissipation and bursting. To illustrate the perturbation mechanism, Betz vortex rollup relations are combined with the Theodorsen theory for unsteady lift response. A sinusoidal pitch motion on a rigid elliptic planform wing is computed in this study as one example. Pitching modifies the instantaneous lift due to the planform variations, via the reduced frequency, and the rollup relations are applied to low-frequency experimental conditions. The combined Betz–Theodorsen theory shows that relatively large spanwise perturbations of the vortex centers can be achieved and may accelerate the exponential growth associated with the Crow instability. In fact, 84.2% of the displacement of the
unsteady trailing vortices due to unsteady pitching is oriented in the direction of the Crow instability. Furthermore, the axial velocity in the vortex center, calculated based on the Batchelor method, varies on the order of the flight speed.
This forms two types of stagnation points produced by approaching and retreating axial core velocities; in the former case, conservation of mass leads to observations of “bursting.” This observation can be explained adequately on the basis of quasi-steady considerations.
Zerstörungsfreie Prüfverfahren (ZfPBau-Verfahren) sind auch im Bauwesen stets an praxisrelevante Prüfaufgaben gekoppelt. Die Ermittlung beispielsweise eines Ist-Zustandes im Vorfeld einer Betoninstandsetzung oder die Ermittlung von Schadensursache und Schadensumfang als Folge wiederkehrender Untersuchungen von Brücken nach DIN 1076 sind etablierte Anwendungsgebiete der ZfPBau. Mit der Einführung der Nachrechnungsrichtlinie für Straßenbrücken im Jahr 2011 hat die Nachfrage nach ZfPBau-Dienstleistungen einerseits stark zugenommen, andererseits eröffnet sie Möglichkeiten, in statischen Nachweisen die tatsächlichen Eigenschaften bestehender Konstruktionen rechnerisch anzusetzen. Dazu aber müssen Messergebnisse statistisch bewertet werden können. Dies geschieht durch eine einheitliche Ermittlung der Messunsicherheit, mit der die Voraussetzungen geschaffen werden, um Messergebnisse von ZfPBau-Verfahren in statischen Berechnungen verwenden zu können. Im folgenden Beitrag wird gezeigt, wie Messgrößen der ZfPBau als (stochastische) Basisvariablen in probabilistische Nachweise zur Berechnung der Zuverlässigkeit einfließen können, indem Grenzzustandsgleichungen modifiziert werden. Mit dieser Vorgehensweise sind weitere Schlussfolgerungen aus den Ergebnissen möglich.
Foundations
(2018)
Monitoring of the absolute water content in porous materials based on embedded humidity sensors
(2018)
Moisture transport monitoring may indicate the onset of deterioration in porous building materials Prior to damage occurring. Most moisture measurement systems provide only qualitative values, require extensive calibration, or are destructive. Thus, non-destructive and calibration-free monitoring Systems are required. Our approach of moisture monitoring is to embed sensors that measure the relative humidity.
In our experiment, screed samples are monitored during the Hydration and evaporation process. Every test sample is equipped with 10 embedded sensors which measure the relative humidity across the sample thickness. Based on Hillerborg’s approach, the relative humidity is converted into the corresponding pore saturation. In our study, the free water is computed without knowledge of the Sorption isotherm. The free water in the pore system is predicted and validated. The predicted weight decrease corresponds conclusively to gravimetrically measured weights. The embedded sensors yield the absolute liquid water content and enable an experimental, non-destructive monitoring of liquid water in porous materials.
Moisture testing and mapping
(2018)
Accuracy of calibration-free (CF) methods in laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) depends on experimental conditions and instrumental parameters that must match a CF LIBS model. Here, the numerical study is performed to investigate effects of various factors, such as the optical density, plasma uniformity, line overlap, noise, spectral resolution, electron density and path length on the results of CF-LIBS analyses. The effects are examined one-by-one using synthetic spectra of steel slag samples that fully comply with the mathematical model of the method. Also, the algorithm includes several new features in comparison with previously proposed CF algorithms. In particular, it removes limits on the optical thickness of spectral lines that are used for the construction of the Saha-Boltzmann plot; it retrieves the absorption path length (Plasma diameter) directly from spectral lines; it uses the more realistic Voigt line profile function instead of the Lorentzian function; and it employs the pre-calculated and tabulated thin-to-thick line ratios instead of approximating functions for selfabsorption correction.
Processing ultrasonic data by coda wave interferometry to monitor load tests of concrete beams
(2018)
Ultrasonic transmission measurements have been used for decades to monitor concrete elements, mostly on a laboratory scale. Recently, coda wave interferometry (CWI), a technique adapted from seismology, was introduced to civil engineering experiments. It can be used to reveal subtle changes in concrete laboratory samples and even large structural elements without having a transducer directly at the place where the change is taking place. Here, several load tests until failure on large posttensioned concrete beams have been monitored using networks of embedded transducers. To detect subtle effects at the beginning of the experiments and cope with severe changes due to cracking close to failure, the coda wave interferometry procedures had to be modified to an adapted step-wise approach. Using this methodology, we were able to monitor stress distribution and localize large cracks by a relatively simple technique. Implementation of this approach on selected real structures might help to make decisions in infrastructure asset management.
Post-tensioning systems provide safe and efficient construction solutions for long span bridges. Despite the improved grouting practices over the past decade, existing post-tensioning systems may have significant amount of grout defects, which could lead to corrosion of the strands. Condition assessment of post-tensioning systems is necessary to allow bridge owners to take timely, proactive actions to mitigate or prevent further Deterioration and unanticipated tendon failures. A detailed experimental study conducted to assess the performance of nondestructive evaluation techniques in detecting grout defects within internal tendons is presented herein.
Nondestructive evaluation techniques that include Ground Penetrating Radar, Impact Echo, Ultrasonic Tomography, and Ultrasonic Echo are evaluated in terms of detecting the location and severity of fabricated grout defects in a full-scale post-tensioned U-girder mock-up specimen. While Ground Penetrating Radar can identify the location and profile of the internal tendons, particularly metal ducts due to strong reflections, this method did not provide any information about the defect conditions within the tendon. Both Impact Echo and Ultrasonic Echo techniques are effective in identifying the Location of grout defects, but could not differentiate between water, void, or compromised grout conditions. The study clearly demonstrates the need for NDE techniques that are applicable to anchorage regions, and that are capable of estimating the severity and nature of grout defects in internal tendons.
Der Fachbereich 8.2 der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) hat eine innovative Methode zur zerstörungsfreien Ultraschallprüfung erarbeitet und den technischen Aufbau in Form eines neuen Gerätes entwickelt. Mit Hilfe des Produktdesigns soll die Etablierung auf dem Markt sichergestellt werden.
Die Arbeit erläutert detailliert die Bereiche, die für die Gestaltung des Handscangerätes von Bedeutung sind. Sie befasst sich mit der Installation und Handhabung des Systems am Einsatzort und beleuchtet wichtige technische Details. Der nicht verkleidete technische Aufbau der zwei neu entwickelten Geräte dient als Grundlage für die Erarbeitung eines Gehäusekonzepts. Neben dem Gehäusedesign wird eine Überarbeitung des gesamten Aufbaus durchgeführt, um die Benutzerfreundlichkeit in verschiedenen Punkten zu verbessern. Zukünftige Designentscheidungen werden auf Grundlage von praxisnahen Beobachtungen und der notwendigen Anordnung der technischen Komponenten getroffen. Ziel der Auseinandersetzung ist es, ein funktionelles und ästhetisch ansprechendes Design zu entwickeln. Am Ende sollen unter Beachtung aller Vorgaben die Ergebnisse dieser Arbeit zu einem ergonomischen Gerät führen.
Die Problemstellung besteht daraus, den komplexen technischen Vorgaben und Ansprüchen des Projektpartners und Innovationsgebers gerecht zu werden und gleichzeitig ein gutes Designziel zu erreichen. Das Design soll die Funktionalität und Handhabung des Gerätes verbessern und dient als Hilfsmittel, um den komplexen Aufbau zu vereinfachen. Die Benutzerfreundlichkeit soll an allen nötigen Stellen verbessert werden und ein ästhetisch zusammenstehender Gesamteindruck soll entstehen, ohne die Funktionalität negativ zu beeinflussen.
Nach 1850 wurde zur weiteren Herabsetzung der Einbrenntemperatur von Glasmalfarben Borax (Na2B4O7 · 10 H2O) zugesetzt. Das Verhältnis war nun 1 Teil SiO2, 3 Teile PbO und 0,5 Teile Borax. Der analytische Nachweis von Bor in eingebrannten Malschichten war bisher jedoch nicht möglich.
In Laborversuchen wurden Glasmalfarben mit unterschiedlichem Gehalt an Borax auf Modellgläser aufgetragen, eingebrannt und anschließend unter simulierten Umweltbedingungen zeitraffend im Klimaschrank bewittert. Mit Hilfe von elektronenmikroskopischen Untersuchungen können Malschichten charakterisiert werden und somit Hinweise auf mögliche Schadensursachen liefern. Der Nachweis von Bor erfolgte mit Hilfe von LIBS-Messungen (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) an im Labor hergestellten Glasmalfarben mit unterschiedlichem Boraxgehalt.
Nach 1850 wurde zur weiteren Herabsetzung der Einbrenntemperatur von Glasmalfarben Borax (Na2B4O7 · 10 H2O) zugesetzt. Das Verhältnis war nun 1 Teil SiO2, 3 Teile PbO und 0,5 Teile Borax. Der analytische Nachweis von Bor in eingebrannten Malschichten war bisher jedoch nicht möglich.Daher wurden in Laborversuchen Glasmalfarben mit unterschiedlichem Gehalt an Borax auf Modellgläser aufgetragen, eingebrannt und anschließend unter simulierten Umweltbedingungen zeitraffend im Klimaschrank bewittert.
Mit Hilfe von elektronenmikroskopischen Untersuchungen können Malschichten charakterisiert werden und somit Hinweise auf mögliche Schadensursachen liefern. Erste Versuche zum Nachweis von Bor erfolgten mit Hilfe von LIBS-Messungen (Laser Induced Breakdown Spectroscopy) an im Labor hergestellten Glasmalfarben mit unterschiedlichem Boraxgehalt.
Feuchtemessverfahren
(2018)
The detection of delamination, rot, and cracks in wooden construction elements is a key task for nondestructive testing (NDT). Air-coupled ultrasound (ACU) is used to detect defects and damage without altering the structure permanently. Using through transmission it is possible to detect even small holes and missing adhesive. After interpretation of the inspection data, an assessment of the mechanical properties based on an appraisal of internal defects in the material is feasible. Novel ferroelectret transducers with a high signal-to-noise ratio (SNR) enable a high-precision structure recognition. The transducers made of cellular polypropylene (PP) are quite suitable for ACU testing due to their extremely low Young’s modulus and low density which result in a favorable acoustic impedance for the transmission of ultrasonic waves between the transducer and air. Thus, structures with great dimensions, thickness up to 300 mm and material densities under 500 kg/m³ can be inspected. Promising results were obtained under laboratory conditions with frequencies from 90 kHz to 200 kHz. The advantage of ACU transducers is that they do not require contact to the sample, are accurate, and cost effective. Ultrasonic quality assurance for wood is an important attempt to increase the acceptance of wooden structures and towards sustainability in civil engineering in general.
Ultrasound echo is a widely used NDT technique for determining the internal geometry of structures. Reverse-time migration (RTM) has been recently introduced to NDT applications, as an imaging method for ultrasound data, to overcome some of the limitations (e.g. imaging steeply dipping reflector) experienced by the Synthetic Aperture Focusing Technique (SAFT), the most commonly used imaging algorithm for these measurements.
The standard implementation of RTM also experiences some drawbacks caused by its imaging condition, which is based on the zero-lag of the cross-correlation between source and receiver wavefields and generates high-amplitude low-frequency artifacts. Three alternative imaging conditions, developed for seismic data applications, were tested for their ability to provide better images than the standard cross-correlation: illumination compensation, deconvolution and wavefield decomposition. A polyamide specimen was chosen for the simulation of a synthetic experiment and for real data acquisition. The migrations of both synthetic and real data were performed with the software Madagascar. The illumination imaging condition was able to reduce the low-frequency noise and had a good performance in terms of computing time. The deconvolution improved the resolution in the synthetic tests, but did not showed such benefit for the real experiments. Finally, as for the wavefield decomposition, although it presented some advantages in terms of attenuating the low-frequency noise and some unwanted reflections, it was not able to image the internal structure of the polyamide as well as the cross-correlation did. Suggestions on how to improve the cost-effectiveness of the implementation of the deconvolution and wavefield decomposition were presented, as well as possible investigations that could be carried out in the future, in order to obtain better results with those two imaging conditions.
Advanced ultrasonic imaging for concrete: Alternative imaging conditions for reverse time migration
(2018)
Ultrasound echo is a widely used NDT technique for determining the internal geometry of structures. Reverse-time migration (RTM) has been recently introduced to NDT applications, as an imaging method for ultrasound data, to overcome some of the limitations (e.g. imaging steeply dipping reflector) experienced by the Synthetic Aperture Focusing Technique (SAFT), the most commonly used imaging algorithm for these measurements.
The standard implementation of RTM also experiences some drawbacks caused by its imaging condition, which is based on the zero-lag of the cross-correlation between source and receiver wavefields and generates high-amplitude low-frequency artifacts. Three alternative imaging conditions, developed for seismic data applications, were tested for their ability to provide better images than the standard cross-correlation: illumination compensation, deconvolution and wavefield decomposition. A polyamide specimen was chosen for the simulation of a synthetic experiment and for real data acquisition. The migrations of both synthetic and real data were performed with the software Madagascar. The illumination imaging condition was able to reduce the low-frequency noise and had a good performance in terms of computing time. The deconvolution improved the resolution in the synthetic tests, but did not showed such benefit for the real experiments. Finally, as for the wavefield decomposition, although it presented some advantages in terms of attenuating the low-frequency noise and some unwanted reflections, it was not able to image the internal structure of the polyamide as well as the cross-correlation did. Suggestions on how to improve the cost-effectiveness of the implementation of the deconvolution and wavefield decomposition were presented, as well as possible investigations that could be carried out in the future, in order to obtain better results with those two imaging conditions.
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.
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.
Four cement-based and four calcium-sulphate-based screed types are investigated. The samples have a diameter of 300 mm and a height of 35 or 70 mm. Up to ten humidity sensors are embedded directly during the concreting of the screed samples. Thus, the humidity over the sample height is monitored during hardening, hydration, evaporation, and oven drying. Furthermore, the screed samples are weighted during every measurement to determine the total mass and the corresponding moisture loss.
To define the pore system precisely, mercury intrusion porosimetry as well as gas adsorption is performed. According to the data, the entire pore volume distribution is known. The measured pore diameters range from 0.8 nm to 100 μm and the total porosity of the examined screeds ranges between 11 % and 22 %.
Based on these measurement data, moisture transport, pore saturation as well as sorption isotherms and their hysteresis may be calculated quantitatively as described by Strangfeld et al.
"INFRASTAR aims to develop knowledge, expertise and skills for optimal and reliable management of structures. The generic methodology is applied to bridges and wind turbines in relation to fatigue offering the opportunity to deal with complementary notions (such as old and new asset management, unique and similar structures, wind and traffic actions) while addressing 3 major challenges: 1/ advanced modelling of concrete fatigue behaviour, 2/new non destructive testing methods for early aged damage detection and 3/probabilistic approach of structure reliability under fatigue. Benefit of cross-experience and inter-disciplinary synergies creates new knowledge. INFRASTAR proposes innovative solutions for civil infrastructure asset management so that young scientists acquire a high employment profile in close dialogue between industry and academic partners. Modern engineering methods, including probabilistic approaches, risk and reliability assessment tools, will take into account the effective structural behaviour of existing bridges and wind turbines by exploiting monitored data. Existing methods and current state-of -the art is based on excessive conservatism which produces high costs and hinders sustainability. INFRASTAR improves knowledge for optimising the design of new structures, for more realistic verification of structural safety and more accurate prediction of future lifetime of the existing structures. That is a challenge for a sustainable development because it reduces building material and energy consumption as well as CO2 production. Within the global framework of optimal infrastructure asset management, INFRASTAR will result in a multi-disciplinary body of knowledge covering generic problems from the design stage process of the new civil infrastructures up to recycling after dismantlement. This approach and the proposed methods and tools are new and allow a step forward for innovative and effective process."
Analyse des Tausalzeintrages in Fahrbahndeckenbetone im Kontext der Alkali-Kieselsäure-Reaktion
(2018)
In den letzten Jahren sind im deutschen Bundesautobahnnetz (BAB-Netz) vermehrt AKR-Schäden an Betonfahrbahndecken aufgetreten, die zum Teil zu einer Halbierung ihrer geplanten Nutzungsdauer von 30 Jahren führte. Ursächlich hierfür ist die Verwendung alkaliempfindlicher Gesteinskörnung, die bei gleichzeitiger Anwesenheit von Wasser infolge der Exposition der Fahrbahndecke und dem alkalischen Milieu durch den Einsatz alkalireicher Portlandzemente bei der Betonherstellung zu einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) führt. Zusätzlich wird der AKR-Schädigungsprozess in Betonfahrbahndecken durch den externen Tausalzeintrag (primär NaCl) im Winter begünstigt. Vor diesem Hintergrund kommt der Ermittlung des Tausalzeintrags in den Fahrbahndeckenbeton eine große Bedeutung zu. Die Analyse des Tausalzeintrags erfolgte bisher ausschließlich nasschemisch an gemahlenen Bohrkernsegmenten. Nachteilig ist hierbei die fehlende differenzierte Betrachtung des Natriumgehaltes im Zementstein und in der Gesteinskörnung. Der alternative Einsatz von LIBS (Laser-induced breakdown spectroscopy) eröffnet in diesem Kontext neue Möglichkeiten. So wird in diesem Beitrag an Hand von Bohrkernen aus einem AKR-geschädigten BAB-Abschnitt exemplarisch die Vorgehensweise bei der LIBS-Analyse zur Ermittlung der Na- und interagierenden Cl-Verteilung an vertikalen Schnittflächen des Bohrkerns aufgezeigt. Da der Tausalzeintrag primär über den Zementstein erfolgt, wurde der verfälschende Na-Grundgehalt der Gesteinskörnung mittels Zementsteinkriteriums (Nutzung unterschiedlichen Ca-Gehalts in Zementstein und Gesteinskörnung) eliminiert. Vergleichend durchgeführte Cl-Mappings mit Mikroröntgenfluoreszenzanalyse (MRFA) belegen die Güte der durchgeführten LIBS-Messungen.
Aber auch bei der Verifizierung der Übertragbarkeit der Ergebnisse der zum Ausschluss reaktiver Gesteinskörnung bei Neubau und Erneuerung im BAB-Netz eingesetzten Performanceprüfungen mit externem Alkalieintrag auf Praxisverhältnisse hat sich das LIBSVerfahren bewährt. So wurde festgestellt, dass die mit NaCl-Lösung beaufschlagten Laborprüfkörper aus einem repräsentativen Fahrbahndeckenbeton bei der Klimawechsellagerung (KWL) über ihre gesamte Höhe von 10 cm einen Eintrag von Na und Cl erfahren. Weiterhin konnte im Gegensatz zu bisherigen Annahmen erstmals mit LIBS und Nasschemie gezeigt werden, dass die Frost-Tauwechsel-Phase bei der KWL zu keinem erhöhten Tausalzeintrag führt.
In civil engineering concrete is the most used building material for making infrastructures like bridges and parking decks worldwide. It is as a porous and multiphase material made of aggregates with a defined grain size distribution, cement and water as well as different additives and admixtures depending on the application. Different grain sizes are important to ensure the needed density and compressive strength.
The resulting porous cement matrix contains a mixture of flour grains (aggregates with a grain size below 125 lm) and cement particles (particle size≈50lm). Harmful species like chlorides may penetrate together with water through the capillary pore space and may trigger different damage processes. The damage assessment of concrete structures in Germany is estimated due to the quantification of harmful elements regarding to the cement content only. In the evaluation of concrete using LIBS a two-dimensional scanning is necessary to consider the heterogeneity caused by the aggregates. Therefore, a LIBS system operating with a low energy NdCr:YAG laser, a pulse energy of 3 mJ, a wavelength of 1064 nm, a pulse width of 1.5 ns and a Repetition rate of 100 Hz has been used. Different Czerny-Turner spectrometers with CCD detectors in the UV and NIR range have been used for the detection. Large aggregates (macro-heterogeneity) can be excluded from the evaluation, whereas small aggregates in the range of the laser spot size (flour grains) cannot be spatially resolved. In this work the micro heterogeneity caused by flour grains and their impact on the quantification with LIBS will be discussed. To analyze the effect of changing grain sizes and ratios, the ablation behavior has been determined and compared. Samples with defined grain sizes were made and analyzed using LIBS.
The grain size distributions were analyzed with laser diffraction (LDA).
Main aim is to improve ultrasonic sensor networks to monitor concrete structures under dynamic loads. Novel algorithms have to be developed and tested to separate the influence of various effects for field data. Ways to quantify the interpretation of ultrasonic data e.g. in terms of degree of damage or capacity, have to be found. Improve and simplify imaging techniques, extend them to arbitrary structures, to foster field applications.
LAUS - Erste praktische Erfahrungen mit einem neuartigen Ultraschallsystem großer Eindringtiefe
(2018)
Konventionelle Systeme zur Ultraschall-Echo-Prüfung von Betonbauteilen sind in ihrer Eindringtiefe auf etwa einem Meter begrenzt. Zur Prüfung stärkerer Objekte war die Entwicklung eines neuartigen Prüfsystems notwendig. Das LAUS-System (Large Aperture UltraSound) besteht aus 12 einzelnen Arrays, die mit jeweils 32 Einzelprüfköpfen (Scherwellen, 25 – 50 kHz) als Sender oder Empfänger betrieben werden können. Sie werden unabhängig auf Betonoberflächen mit Unterdruck befestigt und kommunizieren drahtlos untereinander und mit der Zentraleinheit. Alle möglichen Kombinationen ergeben 132 Einzelmessungen, die zur Rekonstruktion des durchschallten Volumens genutzt werden. Mehrere dieser Datensätze lassen sich zu einer 3D-Auswertung kombinieren. Das System wurde an mehreren Testobjekten und Bauwerken erfolgreich erprobt. So konnte die fünf Meter dicke, sehr stark bewehrte Fundamentplatte des Fallturms auf dem BAM-Testgelände bei Horstwalde durchschallt werden. Ein zweites Beispiel ist die erfolgreiche Detektion von Spannkanälen in 1,8 m Tiefe in einem massiven Brückenbauwerk.
LAUS - Erste praktische Erfahrungen mit einem neuartigen Ultraschallsystem großer Eindringtiefe
(2018)
Konventionelle Systeme zur Ultraschall-Echo-Prüfung von Betonbauteilen sind in ihrer Eindringtiefe auf etwa einem Meter begrenzt. Zur Prüfung stärkerer Objekte war die Entwicklung eines neuartigen Prüfsystems notwendig. Das LAUS-System (Large Aperture UltraSound) besteht aus 12 einzelnen Arrays, die mit jeweils 32 Einzelprüfköpfen (Scherwellen, 25 – 50 kHz) als Sender oder Empfänger betrieben werden können. Sie werden unabhängig auf Betonoberflächen mit Unterdruck befestigt und kommunizieren drahtlos untereinander und mit der Zentraleinheit. Alle möglichen Kombinationen ergeben 132 Einzelmessungen, die zur Rekonstruktion des durchschallten Volumens genutzt werden. Mehrere dieser Datensätze lassen sich zu einer 3D-Auswertung kombinieren. Das System wurde an mehreren Testobjekten und Bauwerken erfolgreich erprobt. So konnte die fünf Meter dicke, sehr stark bewehrte Fundamentplatte des Fallturms auf dem BAM-Testgelände bei Horstwalde durchschallt werden. Ein zweites Beispiel ist die erfolgreiche Detektion von Spannkanälen in 1,8 m Tiefe in einem massiven Brückenbauwerk.
Der Blick in die Brücke
(2018)
This paper reviews state-of-the-art in nondestructive testing (NDT) and semidestructive testing (SDT) methods applicable for imaging the condition of structural timber. Both NDT and SDT imaging reveal defects, damages, and decay, while the extent of wood decay can also be quantified. Combined with an appropriate data interpretation concerning the internal defects, the mechanical properties of the material can also be assessed. The possibilities and limitations of the most relevant individual NDT and SDT methods, also in combination with each other, are outlined and compared. To facilitate comparison, many observations are reported based on the same test specimen.
Das Ultraschallprüfverfahren wird im Bauwesen für die zerstörungsfreie Prüfung von Bauwerken eingesetzt, insbesondere für Strukturuntersuchungen. Dadurch sollen Lage und Größe von Bauschäden detektiert werden, um geeignete und kostengünstige Sanierungsmaßnahmen ergreifen zu können. Da in der Praxis meist nur eine einseitige Zugänglichkeit gegeben ist (z. B. Betonverschalung eines Tunnels), wird im Impuls-Echoverfahren gemessen. Dies bedeutet, dass ein Ultraschallsignal erzeugt und dessen Echo aufgenommen wird. Prüfköpfe, welche einen Oberflächenkontakt benötigen, erhöhen die benötigte Messzeit dramatisch. Mittels luftgekoppeltem Ultraschall können viele naupraktische Problem umgangen werden und die Messzeit kann deutlich reduziert werden. Als Möglichkeit zur Anregung eines luftgekoppeltem Ultraschallsignals werden fluidische Bauteile diskutiert
The detection of moisture in building materials has a high priority in civil engineering to locate and prevent possible moisture damages, e.g. mold, corrosion, delamination etc. Furthermore, it is of great significancy to achieve a better understanding of moisture transport and pore space in different materials. To prevent the degeneration of structures and materials, non-destructive testing methods are more and more deployed. As a non-destructive method in this work, nuclear magnetic resonance (NMR) is applied using a strayfield open magnet device that enables one-dimensional measurements in a defined volumen. By using NMR, the water content of the sample can be determined and also the pore size distribution can be deduced from the relaxation time distribution when having a comparison method like mercury intrusion porosimetry.
In this study different synthetic homogenous materials with defined and almost unimodal pore size distributions are investigated as well as building materials like screed. For analyzing the pore space, the samples were measured at different saturation levels and the building materials at different hydration states as well.
ZfPStatik bezeichnet die Verwendung von statistisch bewerteten Messergebnissen, die mit zerstörungsfreien Prüfverfahren im Bauwesen (ZfPBau) gewonnen werden und in statischen Berechnungen zum Nachweis der Tragfähigkeit verwendet werden. Dazu ist die Ermittlung der Messunsicherheit der Versuchsdaten auf der Basis des GUM (Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement) der erste Schritt. Der statische Nachweis erfolgt durch Grenzzustandsgleichungen, die im Bauwesen angewandt werden. Diese müssen modifiziert werden, so dass jede Messgröße als Zufallsvariable in der Grenzzustandsgleichung vorhanden ist. Der statische Nachweis erfolgt mit probabilistischen Berechnungsmethoden aus der Zuverlässigkeitstheorie. Diese Vorgehensweise wird exemplarisch für den Standsicherheitsnachweis eines Plattenbalkenquerschnitts einer Stahlbetonbrücke auf Biegung angewandt. Auf die möglichen Schlussfolgerungen aus den probabilistischen Berechnungen wird abschließend kurz eingegangen.
Steigende Anforderungen an Brückenbauwerke in Deutschland gehen mit der Alterung und dem sich zunehmend verschlechternden Zustand bestehender Bausubstanz einher. In der aktuellen Entwicklung wurde die Notwendigkeit von Nachrechnungen der Standsicherheit erkannt. Die Zuverlässigkeitstheorie bietet für das Bauwesen geeignete probabilistische Methoden zur Beurteilung von Tragwerken auf Basis der tatsächlichen Bauwerkseigenschaften.
Die Verfahren der zerstörungsfreien Prüfung im Bauwesen ermöglichen die Messung quantitativer Kenngrößen, die den Zustand eines Bestandsbauwerks realitätsnah widerspiegeln. Um die Objektivität einer Messung zu wahren, wurden Methoden zur Gütebewertung von Messergebnissen zerstörungsfreier Prüfverfahren entwickelt und das Konzept der Validierung eingeführt. Damit sind die Voraussetzungen geschaffen, um statistisch abgesicherte und statisch relevante Informationen über die innere Konstruktion eines Tragwerks (ohne signifikante Zerstörung des Bauwerks) zu erheben.
Der vorliegende Beitrag fasst die Beantwortung grundlegender Fragestellungen zusammen, um den Lückenschluss zwischen der statischen Nachrechnung von Brücken und der zerstörungsfreien Prüfung im Bauwesen herzustellen. Das Ziel ist die Verwendung von Messdaten der zerstörungsfreien Prüfverfahren als stochastische Eingangsgrößen in statischen Berechnungen. (...)
High-Amplitude Surge of a Pitching Airfoil: Complementary Wind- and Water-Tunnel Measurements
(2018)
RECENT interest in gust response, rotorcraft forward flight and wind energy, among other applications, has focused on streamwise oscillations of nominally two-dimensional airfoils in attached and separated flows. The airfoil may be simultaneously held at constant incidence or execute some maneuver, such as pitch.
The relative freestream is spatially uniform but temporally unsteady, and this can be accomplished in a ground-test facility in two ways. The first method is to vary the output of the prime mover, such as the rotational speed of the impeller or the blower driving a wind tunnel, or (alternatively) to vary the pressure drop in the tunnel, thereby varying the flow speed in the test section, despite nominally constant primemover revolutions per minute. The second method is used to keep the tunnel’s operating speed constant, as well as to move the test article in the streamwise direction, fore and aft (for example, via an electric linear motor), such that the relative freestream speed felt by the test article varies according to some waveform. Typically, the latter approach is chosen in water tunnels, where there is too much tunnel-circuit inertia to vary the flow speed directly but where the usually low tunnel test section flow speeds enable large excursions in the relative freestream by oscillation of the test article. In fact, outright reverse flow is possible by moving the test article in the laboratory frame at a higher speed than the water-tunnel flow speed. In either case, a sinusoidal relative-speed waveform is the most intuitively realizable, and this can be combined with similar oscillations in the airfoil incidence angle or other kinematics. Although the two methods of realizing streamwise oscillations are mechanically distinct, experimental comparisons between an oscillating test article in a water tunnel and a stationary test article in a wind tunnel with a louvermechanismhave demonstrated agreement in themeasured lift and drag histories. Such experimentswere performed by Granlund et al. for a 10% freestream amplitude oscillation and fixed airfoil incidence, comparing a free-surface water tunnel and a closed-circuit wind tunnel. After buoyancy was subtracted from the wind-tunnel data (resulting from the louver pressure drop) and the model inertia subtracted from the water-tunnel data (resulting from acceleration of the test article), the remaining lift and drag histories matched well at the low freestream oscillation amplitude regime. The work of Granlund et al. was later extended to high-advance-ratio streamwise oscillations of 50% amplitude by Greenblatt et al., where the aerodynamic histories of the water-tunnel and wind-tunnel facilities were compared in combined pitch and freestreamoscillations (governed by relative pitch phase), pure pitch oscillations, and purely freestream oscillations. Agreement between the two facilities’ data for fixed-incidence streamwise oscillations was reasonably good, and in fact, better than agreement in just the static lift and drag, evidently owing to differences in blockage and model-support systems. Additionally, Greenblatt et al. determined there was no strong coupling between simultaneous freestream oscillations and pitch oscillations on resultant lift and moment coefficients.