8.2 Zerstörungsfreie Prüfmethoden für das Bauwesen
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Organisationseinheit der BAM
- 8 Zerstörungsfreie Prüfung (486) (entfernen)
Paper des Monats
- ja (2)
Eingeladener Vortrag
- nein (187)
Es wird ein alternatives Verfahren zur schnellen zweidimensionalen Analyse der chemischen Zusammensetzung von Baustoffen vorgestellt. Dieses beruht auf der Kombination des Abtrags einer geringen Materialmenge durch einen gepulsten Laser, der Plasmaerzeugung und der Analyse der Lichtemission des Plasmas mittels optischer Spektroskopie. Es können prinzipiell alle Elemente gleichzeitig nachgewiesen werden. Damit ist es möglich einerseits Informationen über den Baustoff an sich als auch über den Eintrag potentiell schädigender Elemente (z. B. Cl, C, Na, K, S) zu gewinnen. Das Verfahren kann automatisiert im Labor oder als mobile Version direkt vor Ort eingesetzt werden. Es liefert zweidimensionale Bilder der Elementverteilung in Echtzeit. Es kann ohne große Probenvorbereitung z. B. direkt an der Querschnittsfläche eines Bohrkernes gemessen werden. Die Messung dauert nur wenige Minuten. Das Prinzip der Messung, die Vor- und die Nachteile, sowie die verfügbare Gerätetechnik für den Einsatz im Labor oder direkt am Bauwerk werden vorgestellt. Abschließend werden praktische Beispiele für die Anwendung des LIBS-Verfahrens zur Erfassung des Chlorid-Eintrages, der Karbonatisierung und der Verteilung von Schwefel präsentiert.
Integration of fibre reinforcement in high-performance cementitious materials has become widely applied in many fields of construction. One of the most investigated advantages of steel fibre reinforced concrete (FRC) is the deceleration of crack growth and hence it’s improved sustainability due to e.g. decrease of permeability of concrete by aggressive substances. Additional benefits are associated with the structural properties of FRC, where fibres can significantly increase the ductility and the tensile strength of concrete. In some applications, such as tunnel linings or industrial slabs, it is even possible to entirely replace the conventional reinforcement, leading to significant logistical and environmental benefits. Fibre reinforcement can, however, have critical disadvantages and even hinder the performance of concrete, since it can induce an anisotropic material behaviour of the mixture if the fibres are not appropriately oriented. For a safe use of FRC in the future, reliable non-destructive methods need to be identified to assess the fibres’ orientation in hardened concrete. In this study, ultrasonic material testing, electrical impedance testing, and X-ray computer tomography have been investigated for this purpose using specially produced samples with biased or random fibre orientations. This paper demonstrates the capabilities of each of these NDT techniques for fibre orientation measurements and draws conclusions based on these results about the most promising areas for future research and development using these techniques.
Recent years have seen extended use of ultrasonic techniques for concrete infrastructure assessement. They are applied for quality assurance and condition assessement at bridges, power plants, dams and other important objects. However, there are still a couple of significant limitations. They include, but are not limited to depth of penetration, imaging complex structures or early stage detections of distributed damage. The talk will give information on recent research in this area. 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. Comments on initiatives for validation, standardization and certification will be given.
Intensified Alkali-Silica Reaction (ASR) damage has occurred on German roadways in recent years, leading to requirements for compulsory pre-construction investigation of aggregate alkali sensitivity using concrete tests with external alkali supply. However, since these tests are time-consuming and cost-intensive, there is interest in replacing them with a solubility test on pure aggregate in 0.1 M KOH solution at 80°C with a defined NaCl content (1wt.-%). In this context, the influence of aggregate pore structure on SiO2 and Al2O3 solubility was investigated in this project. This paper compares the results of porosity studies with X-ray Computed Tomography (3D-CT) and the Brunauer-Emmett-Teller (BET) method on individual quarried and river gravel granules of both rhyolite and greywacke. For visualization and quantification of both externally accessible and fully enclosed surfaces of granules using X-ray 3D-CT, special software tools were developed. The results demonstrated that the river gravel granules had significantly larger externally accessible surfaces than the quarried granules. BET measurements on individual stones showed, as expected, that measured surfaces were about three orders of magnitude larger than those from the X-ray 3D-CT analyses due to the higher spatial resolution of BET. There was no apparent correlation between the X-ray 3D-CT and BET surface areas. Mercury porosimetry measurements indicate that this may be due to the presence of significant porosity below the spatial resolution of the X-ray 3D-CT. A comparison of SiO2 and Al2O3 solubility measurements with the X-ray 3D-CT and BET surface area data resulted only in weak, inconclusive correlations, indicating the need for further experimental investigation.
The moisture content of the subfloor has to be determined before installation to avoid damages of the floor covering. Only if the readiness for layering is reached, an installation without damages can be expected in all cases. In general, three different approaches exist to measure the residual water content: determination of the moisture content, determination of the water release, or determination of the corresponding relative humidity. All three approaches are tested in laboratory at eight different screed types including two different samples thicknesses in each case. The moisture content and the water release are measured by sample weighing, the corresponding relative humidity is measured by embedded sensors. All three approaches are compared and correlated to each other. The evaluations show only weak correlation and, in several cases, contradicting results. Samples are considered as being ready for layering and not-being ready for layering at the same time, depending on the chosen approach. Due to these contradicting results, a general threshold for the risk of damage cannot be derived based on these measurements. Furthermore, the experiment demonstrates that the measurement of corresponding relative humidity is independent of the considered screed type or screed composition. This makes the humidity measurement to very promising approach for the installation of material moisture monitoring systems in the future.
Monitoring of Concrete with Embedded Ultrasound Sensors, Coda Waves and a Novel Measurement Device
(2020)
Using embedded ultrasound (US) sensors in civil engineering structures and Coda Wave Interferometry (CWI), DFG research group CoDA aims for developing methods of concrete damage assessment by combination of Micro and macro scale simulations and experiments. BAMs goal within the project is the provision of small and durable measurement equipment on the one hand, and the investigation of damage sensitive parameters and development of an imaging algorithm on the other hand. In this study we focus on the development of the measurement system and the influence of temperature variations on the measurements.
Die Überwachung von Bauteilen aus Stahl- oder Spannbeton mit Ultraschall hat in Labor- und Technikumsversuchen schon vielversprechende Ergebnisse gezeigt. Besonders gute Resultate wurden dabei mit eingebetteten Ultraschalltrans-ducern und bei Auswertung der Daten mit der hochsensiblen Codawelleninterferometrie erzielt. Erfasst werden können neben Temperatur- und Feuchteeffekten auch Belastungszustände und jegliche Art von Schädigung, die mit Mikro- oder Makrorissbildung einhergeht.
Seit 2019 untersucht die DFG-Forschergruppe 2825 „CoDA“ (Sprecher: Prof. Christoph Gehlen, TU München) ver-schiedenste Aspekte dieser innovativen Technologie mit dem Ziel, Einflussgrößen quantitativ zu erfassen, Umweltein-flüsse zu korrigieren und 3D-Auswerteverfahren zu verbessern. Final soll eine am Bauwerk einsatzfähige Methode ent-stehen, die klassische Monitoringverfahren ergänzt und erweitert sowie Input zu einem Update des statischen Systems liefert.
Aufgaben der BAM in der Forschergruppe ist neben Verbesserung und Adaptierung der Messsystem und Sensorik auch Langzeitversuche an einem Großobjekt und Testinstallationen an Realbauwerken. Hierzu liegen erste Ergebnisse vor, die zeigen, dass die Technologie auch außerhalb des Labors einsatzfähig ist.
Die Überwachung von Bauteilen aus Stahl- oder Spannbeton mit Ultraschall hat in Labor- und Technikumsversuchen schon vielversprechende Ergebnisse gezeigt. Besonders gute Resultate wurden dabei mit eingebetteten Ultraschalltrans-ducern und bei Auswertung der Daten mit der hochsensiblen Codawelleninterferometrie erzielt. Erfasst werden können neben Temperatur- und Feuchteeffekten auch Belastungszustände und jegliche Art von Schädigung, die mit Mikro- oder Makrorissbildung einhergeht.
Seit 2019 untersucht die DFG-Forschergruppe 2825 „CoDA“ (Sprecher: Prof. Christoph Gehlen, TU München) ver-schiedenste Aspekte dieser innovativen Technologie mit dem Ziel, Einflussgrößen quantitativ zu erfassen, Umweltein-flüsse zu korrigieren und 3D-Auswerteverfahren zu verbessern. Final soll eine am Bauwerk einsatzfähige Methode ent-stehen, die klassische Monitoringverfahren ergänzt und erweitert sowie Input zu einem Update des statischen Systems liefert.
Aufgaben der BAM in der Forschergruppe ist neben Verbesserung und Adaptierung der Messsystem und Sensorik auch Langzeitversuche an einem Großobjekt und Testinstallationen an Realbauwerken. Hierzu liegen erste Ergebnisse vor, die zeigen, dass die Technologie auch außerhalb des Labors einsatzfähig ist.
The composition of concrete determines its resistance to various degradation mechanisms such as ingress of ions, carbonation or reinforcement corrosion. Knowledge of the composition of the hardened concrete is therefore helpful to assess the remaining service life of an existing structure or evaluate the damage observed during inspections. For example, for most existing concrete structures the type of cement originally used is not known and must therefore be determined afterwards. This paper presents a preliminary study on the application of laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) to identify the type of cement. For this purpose, ten different types of cement were investigated. For every type, three cement paste prisms were produced: (i) prisms dried, ground and pressed into tablets, (ii) prisms dried and (iii) prisms untreated. LIBS measurements were performed with a diode-pumped low energy laser (1064 nm, 3 mJ, 1.5 ns, 100 Hz) in combination with two compact spectrometers which cover the UV and NIR spectral range. A reduced subset of spectral features was used to build a classification model based on linear discriminant analysis. The results show that the classification of homogenized pressed cement powder samples provides a high accuracy, however, factors such as a different sample matrix and moisture content can affect the accuracy of the classification. The study demonstrates that LIBS is a promising tool to identify the type of cement.
Entwicklung eines luftgekoppelten Ultraschall-Echo-Prüfverfahrens mittels fluidischer Anregung
(2020)
In vielen technischen Bereichen werden Ultraschallverfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung (ZfP) eingesetzt um auf Basis der Signalstärke und der Laufzeit Einbauteile und Beschädigungen zu orten. Luftgekoppelter Ultraschall spielt bisher in kommerziellen Anwendungen vor Allem im Bauwesen eine untergeordnete Rolle, da die Differenz der akustischen Impedanzen von Luft und Festkörpern immense Verluste beim Übergang des Schallsignals hervorruft.
Im Rahmen des Promotionsvorhabens soll die Eignung eines neuartigen Anregungsprinzip untersucht werden, mit dem ein Großteil dieser Verluste vermieden werden soll. Anstelle eines Festkörpers soll mit Hilfe einer fluidischen Düse Druckluft zur Signalerzeugung eingesetzt werden. Die Impedanzverluste zwischen Aktuatormembran und Umgebungsluft entfallen daher.
Die gezielte Schallerzeugung durch einen pulsierenden Freistrahl ist weitgehend unerforscht. Es ist daher notwendig, den so erzeugten Schallpuls in der Interaktion mit dem transienten Strömungsfeld zu untersuchen. Das kompressible Medium Luft und die geringen räumlichen Dimensionen einer hochfrequenten Pulsdüse werfen darüber hinaus einige Herausforderungen hinsichtlich der eingesetzten Messtechnik auf. Hier sollen geeignete Verfahren weiterentwickelt und validiert werden, um die Eignung des fluidisch erzeugten Pulses zu überprüfen.
In diesem Vortrag werden erste Messungen an einem fluidischen Schalter mit denen an einem kommerziellen Luftultraschallprüfkopf verglichen.
Due to the high sensitivity of coda waves to the smallest structural alterations such as strain, humidity or temperature changes, ultrasonic waves are a valid means to examine entire structures employing networks of ultrasonic transducers. In order to substantiate this ex ante assessment, the viability of measuring ultrasonic waves as a valid point of reference and inference for structural changes is to be further scrutinized in this work. In order to investigate the influence of mechanical strain on ultrasonic signals, a four-point bending test was carried out on a reinforced concrete beam at Ruhr University Bochum. Thus, measurements collected from a network of selected transducer pairings arranged across the central, shear-free segment of the test specimen, were correlated to their respective strain fields. Detected ultrasonic signals were evaluated employing Coda Wave Interferometry. Such analysis comprised the initial non-cracked state as well as later stages with incremental crack depth and quantity. It was to ascertain that the test specimen can in fact be qualitatively compartmentalized into areas of compression and tension identified via Relative Velocity Changes presented in Attribute Maps. However, since results did not entail a zero crossing, i.e., neither positive nor negative values were to be calculated, only relative changes in this work displayed staggered over the height of the object under test, are discussed. Under the given methodological premises, additional information is currently required to make quantitative assertions regarding this correlation of ultrasonic and strain results. This holds true for the comparability of the ultrasonic and strain results for both non-cracked and even the cracked state.
Dynamic stall often occurs under conditions of simultaneous unsteady pitching and surging (e.g., rotorcraft and wind turbines), butmanymodels employ a dimensionless time base that implicitly assumes that surging is superimposed, in a quasi-steady manner, on dynamic pitching. An unsteady wind tunnel was used to examine this assumption, where a technique was developed to quantify the unsteady effects of surging on a pitching NACA 0018 airfoil. The technique involved performing multiple harmonic pitching experiments under nominally steady freestream conditions that bracketed a corresponding 50% surging amplitude (1.25 ⋅ 105 ≤ Re ≤ 3.75 ⋅ 105). By interpolating these data, unsteady-pitching/quasi-steady-surging data sets were constructed and compared with de facto synchronous pitch and surging experiments, thereby isolating the unsteady effects of surging on a pitching airfoil. Both large and small poststall maximum angles of attack (αs + 5° and αs + 15°) were considered at multiple pitch-surge phase differences. During deep dynamic stall (αs 15°), with large-scale separation, surging was seen to have a secondary effect on the unsteady aerodynamics. However, at small poststall maximum angles of attack (αs + 5°), either light or deep dynamic stall behavior was observed depending upon the pitch-surge phase difference. This was attributed to Reynolds number history effects, exemplified by boundary-layer transition, and thus it can be referred to as “transitional” dynamic stall.
Reinforced concrete and several other building materials deteriorate during their service life. Almost all deterioration processes are related to moisture. For understanding those processes, knowing the exact amount of the moisture content and the moisture transport characteristics is crucial. In fact, the moisture transport in porous materials is a two-phase flow; consisting of the vapour and the liquid phase. The two corresponding parameters are the diffusion coefficient and the hydraulic conductivity. By means of an inverse approach, these two coefficients are experimentally determined. The moisture transport of eight different screed types during hydration and evaporation is monitored based on embedded humidity sensors. The measured humidity profiles are converted into a pore saturation by adapting the approach of Hillerborg to the measured pore volume distribution. The summation of all pore saturations yields the total moisture content including the ink-bottle effect during desorption. The pore volume distribution was determined by mercury intrusion porosimetry as well as by gas adsorption. The measurement of the humidity and the pore saturation in the entire sample enables to invert the mass balance in order to extract the diffusion coefficient and the hydraulic conductivity. The determined diffusion coefficients of the eight investigated screeds are between m2s-1 and m2s-1.
Da Feuchte insbesondere in Form von Flüssigwasser ein hohes Schadenspotential für Baustoffe und Konstruktionen darstellt, finden zerstörungsfreie Verfahren wie die Kernspinresonanz (NMR) zunehmend Einsatz im Bauwesen. Auch wenn zur qualitativen Lokalisierung möglicher Schad- und Risikostellen bereits zahlreiche zerstörungsfreie Verfahren in der Praxis Anwendung finden, so besteht beispielweise bei der Porenraumcharakterisierung und dem Verständnis von Feuchtetransportmechanismen weiterhin Forschungsbedarf. Eine besondere Herausforderung stellt in diesem Zusammenhang die (ortsaufgelöste) Erfassung und Quantifizierung von Feuchteverteilungen bei Teilsättigung dar.
Mittels 1H-NMR lassen sich der Wassergehalt sowie die Relaxationszeiten der Wasserstoffprotonen in Abhängigkeit von ihrer Bindungsart und der Porenumgebung messen. In vollgesättigten porösen Baustoffen kann somit das NMR-Signal als Porengrößenverteilung interpretiert werden. Da aber in der Praxis nur selten bis nie vollgesättigte Zustände vorliegen, befasst sich eine laufende Forschungsarbeit mit dem Verständnis der NMR-Signale teilgesättigter Porensysteme, die teilweise multimodale Porengrößenverteilungen aufweisen.
Im Rahmen dieser Arbeit werden insgesamt 19 Sandsteine aus Deutschland, Tschechien und Italien sowohl im voll- als auch im teilgesättigten Zustand mit NMR untersucht. Definierte teilgesättigte Zustände werden durch Aufsättigen der Proben in Exsikkatoren mit verschiedenen relativen Luftfeuchten (z. B. 33 %, 75 %, 96%) erzeugt. Die Regulierung der Luftfeuchten erfolgt mit Hilfe von gesättigten Salzlösungen. Als Ergebnis wird die Veränderung der Signalamplitude und der T2-Relaxationszeitenverteilungen in Abhängigkeit von dem Feuchtezustand näher betrachtet. Des Weiteren erfolgt die Berechnung des Flüssigwasseranteils bzw. der adsorbierten Wasserfilmdicke einzelner Poren aus der mit Quecksilberporosimetrie bestimmten Porengrößenverteilung und der Annahme einer Porengeometrie (z.B. Schlitz-, Zylinderpore, etc.). Am Ende dieser Arbeit soll der Zusammenhang des NMR-Signals (Amplitude und Relaxationszeiten) mit dem Porensättigungsgrad in einem Porensystem mit multimodaler Porengrößenverteilung bei Teilsättigung aufgezeigt werden.
Detection of Multiple Cracks in Four-Point Bending Tests Using the Coda Wave Interferometry Method
(2020)
The enlargement of the cracks outside the permitted dimension is one of the main causes for the reduction of service life of Reinforced Concrete (RC) structures. Cracks can develop due to many causes such as dynamic or static load. When tensile stress exceeds the tensile strength of RC, cracks appear. Traditional techniques have limitations in early stage damage detection and localisation, especially on large-scale structures. The ultrasonic Coda Wave Interferometry (CWI) method using diffuse waves is one of the most promising methods to detect subtle changes in heterogeneous materials, such as concrete. In this paper, the assessment of the CWI method applied for multiple cracks opening detection on two specimens based on four-point bending test is presented. Both beams were monitored using a limited number of embedded Ultrasonic (US) transducers as well as other transducers and techniques (e.g., Digital Image Correlation (DIC), LVDT sensors, strain gauges, and Fiber Optics Sensor (FOS)). Results show that strain change and crack formation are successfully and efficiently detected by CWI method even earlier than by the other techniques. The CWI technique using embedded US transducers is undoubtedly a feasible, efficient, and promising method for long-term monitoring on real infrastructure.
Monitoring of concrete structures is of utmost importance in maintenance and preservation of infrastructure. As a part of the DFG research group CoDA (Concrete Damage Assessment by Coda Waves), the works within this PhD project aim for identification of damage sensitive parameters extracted from ultrasonic measurements obtained with embedded sensors, the determination of environmental (reversible) influences on the signal and the localisation of damaged areas. The main technique used for the detection of changes in the monitored material is the so-called Coda Wave Interferometry (CWI). It uses the later part of the ultrasonic recording for the detection of small changes in the sensed area and the calculation of a relative velocity change. Using this technique we can show that we are able to detect changes in concrete temperature with ultrasound measurements. This enables temperature correction for ultrasound monitoring with embedded sensors. The crucial point for imaging and localisation with coda waves is the calculation of the so-called sensitivity kernels. We propose the application of numerical wave simulations for the kernel calculations instead of the commonly used diffusivity equation. Using finite-difference wave modelling code from our DFG project partners we are able to calculate those Kernels and first results are shown in this presentation. The major task for the second year will be the development and implementation of the inversion algorithm as well as the preparation of validation experiments.
Die chemische Analyse von Beton gehört bei der Ermittlung des Ist-Zustandes von Stahl- und Spannbetonbauwerken zu den grundlegenden Untersuchungen bei der Zustandserfassung. Der tiefenabhängige Chloridgehalt sowie der Karbonatisierungsfortschritt müssen bei der Bewertung des Ist-Zustandes, beim Instandsetzungsbedarf und ggf. bei der Planung eines erforderlichen Instandsetzungskonzeptes mit einbezogen werden. Seit Mitte der 1990er Jahre wird an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung die laserinduzierte Plasmaspektroskopie (engl. Laser-induced Breakdown Spectroscopy) – kurz LIBS – stetig für die chemische Analyse von Beton weiterentwickelt. In diesem Beitrag wird der aktuelle Stand der Forschung/ Technik und der Normungsarbeit präsentiert, sowie zukünftig mögliche Anwendungen vorgestellt. Mit den aktuellen LIBS-Systemen (mobiles LIBS-System sowie kommerziell erhältliche Laborsysteme) ist es möglich den Chloridgehalt ortsaufgelöst in wenigen Minuten zu quantifizieren, sogenannte Elementlandkarten zu erstellen und somit die Elementverteilung innerhalb des Betons zu visualisieren. Durch das Scannen eines Bohrkernquerschnittes und der simultanen Erfassung von mehreren Elementen mit einer Messung, ist es zudem möglich, die Gesteinskörnung in den Messdaten zu identifizieren und den Chloridgehalt auf die Zementsteinmatrix zu beziehen. Fehlerquellen aus der Umrechnung der betonbezogenen Chloridgehalte können dadurch minimiert werden. Neben den Grundlagen von LIBS werden vor allem aktuelle Praxisbeispiele vorgestellt, die die aktuellen Möglichkeiten des Verfahrens veranschaulichen.
Entwicklung eines luftgekoppelten Ultra-schall-Echo-Prüfverfahrens mittels fluidischer Anregung
(2019)
In vielen technischen Bereichen werden Ultraschallverfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung eingesetzt. Dabei wird ein Schallpuls von einem Prüfkopf in ein Prüfobjekt eingebracht. Der Puls kann unter anderem durch Membranen oder Pie-zoelemente erzeugt werden und wird in der Regel durch direkten Kontakt oder über ein Koppelmittel an das Objekt übertragen. Luftgekoppelter Ultraschall spielt in kommerziellen Anwendungen bisher eine untergeordnete Rolle, da die Differenz der akustischen Impedanzen von Luft und Festkörpern immense Verluste beim Über-gang des Schallsignals hervorruft.
In diesem Beitrag soll ein neuartiges Anregungsprinzip vorgestellt werden, mit dem ein Großteil dieser Verluste vermieden wird. Anstelle eines Festkörpers soll mit Hilfe einer fluidischen Düse Druckluft zur Signalerzeugung eingesetzt werden. In dieser Düse wird eine selbsterhaltende Strömungsinstabilität erzeugt, die einen Schallpuls von bis zu 100 kHz hervorruft, sodass der Impedanzverlust in die Umge-bungsluft entfällt. Da die charakteristische Frequenz eines fluidisch generierten Pul-ses maßgeblich von der Bauform der Düse und dem anliegenden Druck abhängt, lässt sich mittels einer geeigneten Strömungsregelung ein breiter Frequenzbereich zur Abtastung nutzen. Die so emittierten Pulse werden auf das Prüfobjekt gerichtet und die reflektierten Signale mit einem Laservibrometer an der Oberfläche des Objekts im Echo-Verfahren abgetastet. Von drei signalmindernden Materialübergängen bei gewöhnlichem luftgekoppeltem Ultraschall bleibt in dem hier vorgeschlagenen Mes-system lediglich die Grenzfläche von Luft zu Prüfkörper, sodass eine höhere Signal-ausbeute als bisher erwartet werden kann.
Zur Versiegelung von Endlagern für radioaktive oder chemische Abfälle in ehemaligen Salzbergwerken werden Verschlussbauwerke aus Salzbeton auf ihre Eignung geprüft. Seit einigen Jahren werden durch die Bundesgesellschaft Endlagerung (BGE) und der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) an Versuchsbauwerken Erfahrungen mit der Ultraschalltechnik zur Qualitätssicherung unter Tage gesammelt. Hierbei kommen sowohl kommerzielle und experimentelle Geräte zur Echoprüfung als auch eigens entwickelte Bohrlochsonden zum Einsatz. Alle Geräte basieren auf niederfrequenten s-Wellen-Punktkontaktprüfköpfen (25 kHz– 50 kHz), die in unterschiedlichen Arrays kombiniert werden. In mehreren Versuchsreihen gelang es, unverfüllte und teilverfüllte Risse über mehrere Meter zu verfolgen und in ihrer Lage abzubilden. Technische Einbauten konnten bis in ca. 8 m Tiefe im Bauwerk detektiert werden. Mit Hilfe aus der Geophysik adaptierte Abbildungsverfahren gelang es, einige bisher nicht detektierbare Features sichtbar zu machen.
Die Ergebnisse dienen sowohl der Analyse des Versuchsbauwerks als auch der Entwicklung eines Qualitätssicherungssystems für zukünftige reale Verschlussbauwerke.
Im Laufe des Lebenszyklus einer Brücke kann es erforderlich sein, diese hinsichtlich der Tragfähigkeit neu zu bewerten. Ursächlich hierfür sind beispielsweise sich ändernde Einwirkungen, wie steigende Verkehrslasten oder auch neuere Erkenntnisse, die beim ursprünglichen Bauwerksentwurf noch nicht berücksichtigt wurden. Die aufgeführten Ursachen treten hierbei meisten nach mehreren Jahrzehnten der Nutzung des Bauwerkes auf.
In Deutschland findet eine planmäßige Neubewertung für Brückenbauwerken des Bundes und der Länder auf Basis der im Mai 2011 eingeführten Nachrechnungsrichtline statt. Neben der Neubewertung zur Gewährleistung der Zuverlässigkeit im laufenden Betrieb ist es insbesondere im Rahmen des Abbruches von Bauwerken wichtig Resttragfähigkeiten beurteilen zu können.
Die Zuverlässigkeit der Berechnungsergebnisse hängt insbesondere von der Anzahl und von der Qualität der einbezogenen Informationen ab. Durch die Anwendung von zerstörungsfreien Prüfmethoden können quantitative Informationen gesammelt werden, die für die Beurteilung der Tragwerke sowohl relevant als auch ausreichend genau sind. Die gemessenen Daten können explizit in probabilistische Berechnungsmodelle für die Nachrechnung einer Brücke einfließen. Dadurch wird das Modell sukzessive an die Realität angenähert — in anderen Worten: "zugeschärft". Die Zuverlässigkeit der Ergebnisse der Nachrechnung steigt.
In diesem Beitrag wird an einem konkreten Beispiel der gegenwärtige Stand von Technik und Forschung für ausgewählte Fragstellungen gezeigt. Im Rahmen der erstellten Abbruchstatik einer vorgespannten Brücke aus Beton wurden Ergebnisse der zerstörungsfreien Prüfung verwendet, um Spanngliedlagen für eine Beprobung zu detektieren. Darüber hinaus wurden die Messergebnisse mit wissenschaftlichen Methoden (Phasenauswertung) ausgewertet, um den Zustand der Verpressung der Spannglieder beurteilen zu können. Weiterhin werden die gewonnenen Messdaten der zerstörungsfreien Prüfung verwendet, um den Nachweis zu erbringen, dass auf deren Grundlage eine zuverlässigere Beurteilung der Tragfähigkeit des Bauwerkes erfolgen kann. Hierfür werden die ersten Ergebnisse der Voruntersuchungen für den Biegenachweis der vorgespannten Brücke präsentiert.
Ultraschall-Echoverfahren an Betonbauteilen mit geneigten Rückwänden - Entwicklung von Testkörpern
(2019)
Mit dem Ultraschall-Echoverfahren können geometrische Abmessungen von Betonbauteilen bestimmt werden. Es hat sich gezeigt, dass die Bauteilrückwand bei der Messung an Massivbrücken häufig nicht planparallel zur Messfläche ausgeführt ist. Es wird erwartet, dass der Einfluss einer Neigung der Rückwand gegenüber der Messfläche auf die Messunsicherheit bei der Dickenbestimmung nicht vernachlässigbar ist. In diesem Beitrag werden die fünf konzipierten Betonprobekörper und ausgewählte Messergebnisse zur Bestimmung dieses Einflusses gezeigt.
Due to the penetration of harmful chlorides into concrete, e.g. from de-icing salt, damage processes such as chloride-related pitting corrosion can occur if critical values are exceeded. In this study, multiphase materials such as chloride-contaminated concrete are examined in detail. A direct comparison is made by analyzing the spectroscopic information of simultaneously measured atomic and molecular emissions with laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS). In addition, the influence on the calibration is examined on the basis of the combined spectral information of both reaction paths of the penetrated chlorides. The calibration models of univariate and multivariate methods were validated using reference samples with wet chemical analysis. The results are applied to a concrete sample of a parking deck, which was also analyzed by potentiometric wet chemistry. In order to account for the heterogeneity of concrete, spatially (200 μm) and spectroscopically (0.1 nm) resolved LIBS measurements were performed using a fully automated laboratory system. Simultaneous measurements with three spectrometers allow the analysis of the emission processes of several elements such as Cl, Ca, O, Si and Mg as well as the newly formed molecules CaO and CaCl. The evaluation of the molecular emission in combination with atomic lines extends the analytical performance, since different concrete phases such as aggregates and cement matrix can be better represented. The measurements were carried out in ambient air and with helium purge gas. The limit of detection (LOD) achieved for a combined evaluation of atomic and molecular emission was determined to be 0.028 wt%.
Inhalt der Präsentation:
- Einführung in das Prinzip der Laufzeitmessung
- Vorteile bei der Anwendung von Volumenverfahren an Spannbetonbrücken
- Möglichkeiten zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit von ZfP-Verfahren und zur Verwendung der Messergebnisse in probabilistischen Nachweisen von Bestandstragwerken
Die Porosität sowie die Porengrößenverteilung (PSD) eines Baustoffs sind wichtige petrophysikalische Eigenschaften, die Transportprozesse im Material beeinflussen und im direkten Zusammenhang mit der Schadensanfälligkeit stehen (Frost-Tau-Schäden, Schäden durch Salzeinträge und sauren Regen). Verfahren zur Ermittlung der Porosität stellen die Quecksilberporosimetrie (MIP), das Prinzip der Tauchwägung nach Archimedes (triple weighing method, TWM) und die Nuklear Magnetische Resonanz (NMR) dar.
Das Hauptziel dieser Arbeit ist der Vergleich der drei Methoden für die Porositätsbestimmung. Als Untersuchungsmaterial wurde Sandstein gewählt. Als Baustoff wird Sandstein trotz einer teilweise geringen Festigkeit, aber aufgrund seiner Farbvielfalt häufig für Kulturbauten, Gehwegmaterial und Fassaden eingesetzt. Sandsteine weisen zudem meist eine hohe effektive Porosität (bis zu ca. 30 %) und teilweise breite Porengrößenspektren auf, wodurch Feuchte- und Ioneneinträge begünstigt werden und zu z. B. langfristigen Verfärbungen an Sandsteinfassaden führen können.
Im Rahmen dieser Arbeit werden die Porositäten von 10 verschiedenen Sandsteinen aus Deutschland und Tschechien bestimmt. Für die Untersuchungen mittels TWM und NMR wurden für jede Sandsteinart zwei zylinderförmige Proben unter Unterdruck mit Leitungswasser aufgesättigt. Beim Vergleich der Verfahren liegt der Fokus insbesondere auf NMR und der verwendeten Gerätetechnik, die mit einer minimalen Echozeit von 50 µs ein Wasserstoffsignal in Sandsteinen aus bis zu ca. 2 nm kleine Poren erfassen kann. Darüber hinaus wird das Auflösungsvermögen von MIP und NMR bezüglich der Poren- bzw. Poreneingangsgrößen diskutiert. Für den Vergleich von NMR und MIP werden an ausgewählten Sandsteinproben ebenfalls die zusätzlich ermittelten PSD in Korrelation zueinander gebracht.
Erste Ergebnisse zeigen eine gute Korrelation von NMR- und TWM-Daten, aber teilweise starke Abweichungen zu den mit MIP bestimmten Porositäten. Ergebnisse zu den PSD zeigen teilweise nahezu identische Kurvenverläufe. Jedoch ist die Abschätzung des Umrechnungsfaktors für die NMR-Daten ohne Hinzuziehen von zusätzlichen Referenzverfahren wie Röntgen-Computer-Tomographie oder Spektral Induzierte Polarisation teilweise sehr schwierig.
Fortwährend besteht ein wesentlicher Bedarf an Nachrechnungen von bestehenden Brückenbauwerken. Die Zuverlässigkeit der Berechnungsergebnisse hängt insbesondere von der Anzahl und von der Qualität der einbezogenen Informationen ab. Durch die Anwendung von zerstörungsfreien Prüfmethoden können quantitative Informationen gesammelt werden, die für die Beurteilung der Tragwerke sowohl relevant als auch ausreichend genau sind. Die gemessenen Daten können explizit in probabilistische Berechnungsmodelle für die Nachrechnung einer Brücke einfließen. Dadurch wird das Modell sukzessive an die Realität angenähert — in anderen Worten: "zugeschärft". Die Zuverlässigkeit der Ergebnisse der Nachrechnung steigt.
In diesem Posterbeitrag wird ein entwickeltes Konzept für die Verwendung von Messergebnissen (anstelle von deterministischen Informationen und Annahmen) im statischen Nachweis zusammengefasst. Am Fallbeispiel einer Spannbetonbrücke werden die Vorteile des dargestellten Ansatzes aufgezeigt. Die Messgrößen (hier die Positionen der Längsspannglieder) und die Messstrategien können anhand von Sensitivitätsanalysen definiert und die Anforderungen an die Messergebnisse aus der statischen Berechnung spezifiziert werden. Die Auswirkungen
a) der Messunsicherheit auf die Tragwerkszuverlässigkeit sowie
b) von gegenüber den vor den Messungen verfügbaren Informationen abweichenden Messwerten sind am Beispiel der Lokalisierung der Längsspannglieder durch Ultraschall- und Radarmessungen dargestellt.
In this communication a novel concept for pH sensing is introduced which is specifically adapted to monitor carbonation induced corrosion in concrete structures. The method is based on a ratiometric measurement principle, exploiting the pH sensitive colour switching of thymol blue in the basic pH regime and the emissive properties of two different (Zn)CdSe/ZnS core shell quantum dots. The transition point of thymol blue in a Hydrogel D4 matrix was determined to be at around pH 11.6, which fits ideally to the intended application. Next to the fundamental spectroscopic characterization of the ratiometric response, a new design for a sensor head, suitable for the incorporation into concrete matrices is presented. Toward this, a manufacturing process was developed which includes the preparation of a double layer of polymers containing either thymol blue or a quantum dot mixture inside a porous ceramic tube. Results of a proof-of-priciple performance test of the sensor head in solutions of different pH and in cement specimens are presented, with encouraging results paving the way for future field tests in concrete.
Durch den großflächigen Einsatz der Computertomographie (CT) in unterschiedlichen Industriebereichen steigen auch die Anforderungen an die quantitative Bildanalyse. Subjektive Bildwahrnehmung muss durch objektive Algorithmen ersetzt werden. In diesem Artikel stellt die Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), die seit den 1980er Jahren an der Entwicklung der industriellen CT beteiligt ist, anhand ausgewählter Beispiele den aktuellen Stand ihrer Analysemethoden an verschiedenen Anwendungsbeispielen der CT vor.
Die steigende Nachfrage von zerstörungsfreien Prüfverfahren, welche die Zeitinvestition verbessern und eine kontinuierliche Messung ermöglichen, erfordert die Entwicklung des luftgekoppltes Impakt-Echo-Messverfahrens. Diese Entwicklung kann durch die fluidische Anregung ermöglicht werden.
Das Ziel dieser vorliegenden Arbeit war der Aufbau einer Messapparatur, die auf Schnelligkeit setzt und kontinuierlich misst. Nach der Durchführung der fluidischen Anregung wurden mit Hilfe eines Laservibrometers die Daten aufgenommen. Zur Analysierung der auf diese Weise erhobenen Messwerte wurden sie mittels der Fast-Fourier-Transformation in den Frequenzbereich transformiert.
Für den Zweck der Validierung wurden Zylinder-Probekörper und Platten-Probekörper wurden verwendet. Die Messungen an den Zylinder-Probekörpern lieferten erfolgreiche Ergebnisse, während die Messungen an den Platten-Probekörpern weitere Untersuchung und Entwicklung benötigten werden.
The effect of particle grain sizes in different cement-based mixtures on the laser-induced plasma evolution is studied using two experimental methods: (i) temporal and spatial evolution of the laser-induced shock wave is investigated using shadowgraphy and two-dimensional plasma imaging, and (ii) temporal and spatial distribution of elements in the plasma is investigated using two-dimensional spectral imaging. This study is motivated by the interest in applying laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) for chemical analysis of concrete, and subsequently obtain information related to damage assessment of structures like bridges and parking decks. The distribution of grain sizes is of major interest in civil engineering as for making concrete different aggregate grain sizes defined by a sieving curve (64mm to 0.125 mm) are needed. Aggregates up to a size of 180 μm can be excluded from the data set, therefore only the amount of small aggregates with a grain size below 180 μm must be considered with LIBS. All components of the concrete with a grain size smaller than 0.125mm are related to the flour grain content. Tested samples consisted of dry and hardened cement paste (water-cement ratio w/z=0.5), which served as a reference. Aggregate mixtures were made by adding flour grains (size 40 μm) and silica fume (size 0.1 μm) in different ratios to cement: 10%, 30%, 50% and 60%, all combined to the remaining percentage of dry or hydrated cement. The visualization results show that a dependance in the evolution of the plasma as a function of sample grain size can be detected only in the initial stages of the plasma formation, that is, at the initial 3 μs of the plasma life. Spectral information reveals the elemental distribution of the silicon and calcium in plasma, in both neutral and ionized form. Here also, a significant effect is observed in the first 1 μs of the plasma lifetime.
Es geht auch einfacher
(2019)
Mit laserbasiertem Verfahren Zustand von Betonbauwerken erfassen: Die Laserinduzierte Breakdown Spektroskopie (LIBS) stellt eine Alternative zur nasschemischen Analyse dar, um den Zustand von Betonbauwerken zu erfassen. Bei diesem Verfahren laufen der Analysevorgang und die Auswertung automatisiert ab. Ein Prototyp für die mobile Anwendung auf der Baustelle steht zur Verfügung. So kann auf Knopfdruck ein schriftlicher Bericht erstellt werden, der einen genauen Wert für die Eindringtiefe eines relevanten Elements wie Chlorid ausgibt.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung eines Versuchsstandes zur Di-ckenbestimmung von Werkstoffen mithilfe von frequenzmoduliertem luftgekoppelten Ultra-schall. Zur Erzeugung des frequenzmoduliertem Signals wird ein fluidischer Oszillator ver-wendet. Die Schwingungsfrequenz des Oszillators ist von der Größe, der Geometrie und den Druckverhältnissen im Oszillator abhängig, welche durch ein Druckventil veränderbar sind. Zur Datenfassung dienen zwei Laservibrometer. Weiterhin soll die schlussendliche Dicken-bestimmung mithilfe eines Kreuzkorrelationsverfahrens erreicht werden. Während der Ent-wicklung wurden Messungen im Medium Luft, als auch mit Polyamid-Probekörpern durchge-führt. Für die Luftmessungen wurde das Ultraschallsignal an zwei Messpunkten erfasst und der Abstand zwischen diesen Messpunkten daraufhin versucht zu ermitteln. Diese Abstand-messungen wurden mit unterschiedlichen Abständen von 6 bis 15 Zentimeter durchgeführt, wobei der Abstand anhand der Daten mit einer Abweichung von unter einem Zentimeter er-folgreich bestimmt werden konnte. Die Messungen am Probekörper waren weniger Erfolg-reich, da keine reproduzierbare Dickenbestimmung erreicht werden konnte. Trotzdem kann die Entwicklung aufgrund der erfolgreichen Abstandmessung in der Luft sowie den neuen Erkenntnissen aus den Messungen am Probekörper als Erfolg betrachtet werden.
Imaging wood defects using air coupled ferroelectret ultrasonic transducers in reflection mode
(2020)
Air-coupled ultrasound (ACU) is used to detect defects in wood panels without physically contacting the sample and with a quick scanning rate. Transducers made of cellular polypropylene (PP) with a high signal-to-noise ratio are quite suitable for ACU testing of wood. The extremely low modulus of elasticity and low density of PP transducers results in a small difference in acoustic impedance for the Transmission of ultrasonic waves between the transducer and air, allowing new areas of application to become possible.
To demonstrate the suitability of the reflection technique, measurements are shown on the three samples Multiplex, LVL, and MDF and compared with transmission measurements. Due to this acoustic barrier and the use of cellular PP transducers, an exact detection of delamination and cavities is possible in wood panels up to 40 mm thick. If only one side of an object is accessible and the depth of the defect is of interest, the reflection technique is preferred at the expense of a reduced measuring accuracy and Penetration depth.
Increasing traffic volume on the one hand and ageing infrastructure on the other hand have created many new challenges for maintenance and structural health monitoring of roads and bridges. In the past, many bridges and road structures have been neglected, often resulting in traffic congestion, road closure, and increased repair costs.
This research is concerned with the development of a system to improve the challenge of maintenance and early detection of damage, particularly moisture penetration and corrosion of steel reinforced concrete components. The objective is to develop a method that will also work after 30 years and longer. Many new IoT solutions are equipped with internal energy storage elements (accumulators or batteries) which are inappropriate here, since most relevant signs of concrete degradation occur after decades, where the functioning of such elements are more than questionable. The presented technology approach uses radio-frequency identification (RFID) and enables connectivity to sensors. It offers the advantage of an passive, completely independent energy supply without any energy storage components.
Since the system should be permanently embedded in concrete, it is crucial to develop a long-term stable device which is adapted to the environmental influences of the structure, e.g., long-term resistance in very alkaline environment of pH 13. In numerous experiments, the robustness of the system was tested and evaluated. Various tests with encapsulations to protect the electronics were performed, and for long-term validation different concrete specimens were instrumented with RFID-sensor-systems. Their operating time is now around two years and investigations for signs of fatigue and damage to the encapsulation and the electronics are ongoing.
Der maßgebliche Korrosionsschutz von nicht rostendem Stahl in Beton basiert, anders als bei unlegiertem Betonstahl, auf der Ausbildung einer Chromoxidschicht. Die Chromoxidschicht ist in alkalischem und in carbonatisiertem Beton beständig, sodass nicht rostende Stähle in einem passiven Zustand vorliegen.
Die Initiierung von Lochkorrosionserscheinungen ist dagegen auch an nicht rostenden Stählen in Beton möglich. Der korrosionsauslösende Chloridgehalt ist neben dem Gehalt an Legierungselementen (insbesondere dem Chromgehalt) und der Oberflächenbeschaffenheit auch vom Konzentrationsverhältnis von OH“ zu CI“ im Elektrolyten abhängig. Daher ist prinzipiell zu erwarten, dass in karbonatisierten Betonen geringere Chloridgehalte Korrosion initiieren können als in Betonen mit höheren pH-Werten. Dies gilt in besonderem Maße für nicht rostende Betonstähle mit geringen Chromgehalten, wie z. B. Produkte aus dem Werkstoff 1.4003 (X2CrNi12) mit seiner im Vergleich zu den Standardausteniten geringen Beständigkeit. Um den kritischen korrosionsauslösenden Chloridgehalt am Beispiel eines am Markt verfügbaren ferritischen Chromstahls zu bestimmen, wurden an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) umfangreiche Untersuchungen zu beschleunigten Korrosionsversuchen in alkalischen und karbonatisierten Mörteln durchgeführt. Mittels Laser-induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) konnten die korrosionsauslösenden Chloridgehalte im Phasengrenzbereich Betonstahl-Mörtel ermittelt werden.
NDE of foundations
(2019)
This talk teaches the basic princioles and applications of NDT methods for deep foundations, sprecifically piles. A variety of testing methods are discussed (integrity testing, ultrasonic crosshole logging, parallel seismic and others). Capabilities and limitations are given as well as specific hints for practical use.
In civil engineering, many structures are made of reinforced concrete. Most Degradation processes relevant to this material, e.g., corrosion, are related to an increased level of material moisture.
Therefore, moisture monitoring in reinforced concrete is regarded as a crucial method for structural health monitoring. In this study, passive radio frequency identification (RFID)-based sensors are embedded into the concrete. They are well suited for long-term operation over decades and are well protected against harsh environmental conditions. The energy supply and the data transfer of the humidity sensors are provided by RFID. The sensor casing materials are optimised to withstand the high alkaline environment in concrete, having pH values of more than 12. Membrane materials are also investigated to identify materials capable of enabling water vapour transport from the porous cement matrix to the embedded humidity sensor. By measuring the corresponding relative humidity with embedded passive RFID-based sensors, the cement hydration is monitored for 170 days.
Moreover, long-term moisture monitoring is performed for more than 1000 days. The Experiments show that embedded passive RFID-based sensors are highly suitable for long-term structural health monitoring in civil engineering.
The moisture content of screed samples is monitored by means of embedded sensors. Relative humidity sensors and multi-ring-electrodes are used to measure the spatial moisture distribution during desorption. Based on the humidity data and the pore volume distribution, the moisture and the water layer thickness within the pore space are predicted.
Slit shape as well as cylindrical pores are evaluated. Finally, the measured real part of the electrical impedance and the calculated water layer thickness are correlated. Based on the available data, a significant trend change of the impedance is documented at a water layer thickness of approximately 3 nm. This water layer thickness corresponds to a relative humidity of 88.3%.
In civil engineering, the investigation of existing infrastructure is of major importance for maintaining and ensuring stability of the structures. To ensure durability, uniform regulations and standards apply e.g. the European standard EN 206-1. In some countries, the EN-standard is supplemented by additional standards, as in Germany with DIN 1045-2. Here, specific application rules are described, e.g. for the cement type, to ensure the resistant to different exposures. Therefore, the knowledge of the materials originally used is important in assessing the condition of existing concrete structure. Unfortunately, these are often unknown and must be determined retrospectively. Therefore, we present the application of the laser-induced breakdown spectroscopy to distinguish between different types of cement. Spectral information’s are used to build a classification model. First, the accuracy of the classification is analyzed on ten pure laboratory cement samples. To investigate possible sources of error, the model was then applied to cement samples with different moisture content. The study shows that LIBS is a promising tool for distinguishing between cement types. For further industrial application, however, factors influencing the LIBS signal must be included to ensure a robust model.
The detection of delamination, rot and cracks causing a decrease of strength in wooden construction elements is a key task for nondestructive testing (NDT). Air-coupled ultrasound (ACU) is used to detect flaws without having to provide contact to the surface or otherwise affect the object. Novel ferroelectric transducers with a high signal-to-noise ratio enable an accurate flaw detection. Transducers made of cellular polypropylene (PP) are suitable for characterizing wood-based materials (WBM) because their extremely low Young’s modulus and low density mean a favorable acoustic impedance for the transmission of ultrasonic waves between the transducer and air. The transducers can be applied during the production of WBM and during its service life. The device enables a fast in-situ recognition of defects with frequencies between 90 kHz and 250 kHz. Measurements can be performed in through transmission for a high resolution or in pulse-echo technique in case of one-sided access at the expense of reduced signal strength. Ultrasonic quality assurance for wood is an important attempt to increase the acceptance of wooden structures and towards sustainability in civil engineering in general.
The detection of delamination, rot and cracks causing a decrease of strength in wooden construction elements is a key task for nondestructive testing (NDT). Air-coupled ultrasound (ACU) is used to detect flaws without having to provide contact to the surface or otherwise affect the object. Novel ferroelectric transducers with a high signal-to-noise ratio enable an accurate flaw detection. Transducers made of cellular polypropylene (PP) are suitable for characterizing wood-based materials (WBM) because their extremely low Young’s modulus and low density mean a favorable acoustic impedance for the transmission of ultrasonic waves between the transducer and air. The transducers can be applied during the production of WBM and during its service life. The device enables a fast in-situ recognition of defects with frequencies between 90 kHz and 250 kHz. Measurements can be performed in through transmission for a high resolution or in pulse-echo technique in case of one-sided access at the expense of reduced signal strength. Ultrasonic quality assurance for wood is an important attempt to increase the acceptance of wooden structures and towards sustainability in civil engineering in general.
High sensitivity is an important requirement for air-coupled ultrasonic sensors applied to materials testing. With a lower acoustic impedance than any piezoelectric material, charged cellular polypropylene (PP) offers better matching to air with a similar piezoelectric coefficient. The piezoelectric properties of charged cellular PP originate from their polarization, creating permanent internal voltage. The sensitivity of the sensor can be increased by applying additional dc bias voltage, as it has been done already for transmitters. This work presents the first ultrasonic sensor based on charged cellular PP including a high-voltage module providing dc bias voltage up to 2 kV. This bias voltage led to an increase in the signal-to-noise ratio of up to 15 ± 1 dB. The measurement of the received signal depending on the applied bias voltage is proposed as a new method of determining the internal voltage of ferroelectrets. The sensor combined with a cellular PP transmitter was applied to nondestructive testing of a rotor blade segment and glued-laminated timber, enabling imaging of the internal structure of these specimens with a thickness around 4 cm.
Increasing requirements on the infrastructure caused by more and heavier traffic coincide with both the aging and the progressive degradation of bridge constructions. These exemplary issues lead to a non-negligible need for reassessments of existing bridges. Compared to the new building design, safety reserves can be used in the evaluation of such existing structures, since uncertainties that may arise during the design, construction and previous Service time are better known or no longer present. Uncertainties can be evaiuated more precisely by measurements. In the meantime, the application of advanced NDT-methods on concrete structures have become so capable, that crucial structure Parameters like certain material properties or geometrical dimensions can be quantified without significant destructive interventions. The measured data can be explicitly incorporated into the probabilistic computation models used for the bridge reassessment in form of random variables. Therewith, a previously insufficient model can be refined to achieve a higher level of approximation. This contribution emphasises two fundamental steps of the measured data based probabilistic reassessment: The sensitivity analyses to identify the cruciai Parameters and the needed accuracy of the related information as well as the comparison with expected uncertainties of non-destructively measured Parameters.
Increasing requirements on the infrastructure caused by more and heavier traffic coincide with both the aging and the progressive degradation of bridge constructions. These exemplary issues lead to a non-negligible need for reassessments of existing bridges. Compared to the new building design, safety reserves can be used in the evaluation of such existing structures, since uncertainties that may arise during the design, construction and previous Service time are better known or no longer present. Uncertainties can be evaiuated more precisely by measurements. In the meantime, the application of advanced NDT-methods on concrete structures have become so capable, that crucial structure Parameters like certain material properties or geometrical dimensions can be quantified without significant destructive interventions. The measured data can be explicitly incorporated into the probabilistic computation models used for the bridge reassessment in form of random variables. Therewith, a previously insufficient model can be refined to achieve a higher level of approximation. This contribution emphasises two fundamental steps of the measured data based probabilistic reassessment: The sensitivity analyses to identify the cruciai Parameters and the needed accuracy of the related information as well as the comparison with expected uncertainties of non-destructively measured Parameters.
Increasing traffic volume on the one hand and ageing infrastructure on the other hand have created many new challenges for maintenance and structural health monitoring of roads and bridges. In the past, many bridges and road structures have been neglected, often resulting in traffic congestion, road closure, and increased repair costs.
This research is concerned with the development of a system to improve the challenge of maintenance and early detection of damage, particularly moisture penetration and corrosion of steel reinforced concrete components. The objective is to develop a method that will also work after 30 years and longer. Many new IoT solutions are equipped with internal energy storage elements (accumulators or batteries) which are inappropriate here, since most relevant signs of concrete degradation occur after decades, where the functioning of such elements are more than questionable. The presented technology approach uses radio-frequency identification (RFID) and enables connectivity to sensors. It offers the advantage of an passive, completely independent energy supply without any energy storage components.
Since the system should be permanently embedded in concrete, it is crucial to develop a long-term stable device which is adapted to the environmental influences of the structure, e.g., long-term resistance in very alkaline environment of pH 13. In numerous experiments, the robustness of the system was tested and evaluated. Various tests with encapsulations to protect the electronics were performed, and for long-term validation different concrete specimens were instrumented with RFID-sensor-systems. Their operating time is now around two years and investigations for signs of fatigue and damage to the encapsulation and the electronics are ongoing.
The closure of underground nuclear waste disposal facilities requires reliable gas- and watertight engineered barriers. In Germany, barriers made from salt concrete have been evaluated in full scale. While the barriers seem to fulfill the requirements regarding permeability, some unexpected cracks have been detected at the surface and at depth. In cooperation between the Federal Company for Radioactive Waste Disposal (BGE) and the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM), several experiments have been carried out to evaluate the applicability for ultrasonic measurements in crack detection and general quality assurance. Both commercial instruments and specially developed devices have been tested on site. Using commercial ultrasonic echo devices designed for concrete inspection it was possible to detect cracks and object in salt concrete up to a depth of 2 m. The check for delamination in shotcrete is another field of application. A unique device available at BAM, the wide aperture, deep penetration instrument LAUS, was able to locate cracks and objects up to a depth of 8 m so far, which is thought to be a record for ultrasonic echo measurements in concrete. Adapted imaging procedures, partly adopted from geophysics, helped to reveal 3D structure at depth. In addition, we have developed ultrasonic probes to be deployed in boreholes, currently at up to 20 m depth. They can collect information on cracks and other features in a radius of about 1.5 m around the borehole in the current version and might be used in echo or transmission mode. Evaluation experiments have been performed at an experimental barrier at the ERAM site in Morsleben, Germany. The results showed several empty and injected cracks as well as built in instrumentation. The results have been verified using borehole endoscopy as well as core examination and will be used to set up a reliable quality assurance system for engineered barriers. All instruments are based on ultrasonic shear wave transducers with a frequency range between 25 kHz and 100 kHz. Current research focuses on the improvement of the hardware (e. g. optimization of array characteristics) and imaging techniques as Reverse Time Migration, both aiming at the improvement of depth of penetration, resolution and probability of detection.
Ultrasonic methods are used in concrete investigations since decades. While being limited to transmission testing in the laboratory for a while, in-situ echo measurements for structural investigations and condition assessment have made their way into practical application in the past 20 years. However, several challenges remain. On one side, there are technical issues as limitations in depth of penetration, resolution and imaging capabilities. On the other side there are still gaps in validation, standardization and certification, which are limiting the applicability in condition/load capacity assessment.
This review reports a couple of developments which will help to overcome these issues. This includes technical developments as new devices which are easier to handle on site or giving a much deeper penetration depth (e.g. the LAUS device at BAM) as well as improvements in imaging by hardware update (e. g. air coupled ultrasound or coded signals) or new software (e. g. RTM imaging). To foster the application in real world projects we are as well working on standardization by developing new reference specimen with international partners which will ensure world-wide comparability of ultrasonic and other methods and quality assurance codes. Further, non-destructive methods are being used to update probabilistic models used for the reassessment of existing structures to support the structural engineer’s decisions.
Construction methods, environmental stressors, and aging factors are the main causes for defects of reinforced concrete in nuclear power plants (NPP). These defects are typically occurred as corrosion of reinforcement steel, delamination, cracks, malfunction of post-tensioning or steel composite systems etc. Some of the challenges for assessing the performance of these structures by nondestructive testing methods (NDT) are that the assessment could be performed only during the annual overhauls when testing is time-limited and uncertainty of the accuracy and reliability of the available NDT testing devices combined with the lack of the international uniformity of the methods used for NDT tests. To overcome these challenges, a mock-up wall representing a section of the concrete containment of the NPP was built. The mock-up wall included simulated defects, which mimic the most common types of defects in NPP concrete structures such as dimensional errors, honeycombing, delamination, defects adjacent to the steel liner and voids in grouted tendon ducts for the post-tensioned structures. This paper introduces the design and construction of the wall including the concrete properties, reinforcement, tendon ducts and the types of the simulated defects. The paper also introduces the NDT methods and techniques that are suitable for assessing the condition of the mock-up wall under the real environmental conditions. These techniques include mechanical methods as rebound hammer, ultrasonic and electromagnetic methods. This mock-up wall will enable to investigate reliably available NDT methods and experts’ skills providing also an important and very much need educational platform for future NDE experts.
PileInspect
(2019)
The EC funded project PileInspect (2013-2016) has tried to improve the traditional low strain pile integrity test by using a shaker instead of a hamm and sophisticated higher order spectra analysis methods to provide automated, reliable interpretation. However, the results, even if promising, have not seen full validation yet. A second module, providing depth information by regularized deconvolution, was developed and tested successfully, but doesn't deliver additional information compared tomteh traditioanl test.
Increasing traffic volume on the one hand and ageing infrastructure on the other hand have created many new challenges for maintenance and structural health monitoring of roads and bridges. In the past, many bridges and road structures have been neglected, often resulting in traffic congestion, road closure, and increased repair costs.
This research is concerned with the development of a system to improve the challenge of maintenance and early detection of damage, particularly moisture penetration and corrosion of steel reinforced concrete components. The objective is to develop a method that will also work after 30 years and longer. Many new IoT solutions are equipped with internal energy storage elements (accumulators or batteries) which are inappropriate here, since most relevant signs of concrete degradation occur after decades, where the functioning of such elements are more than questionable. The presented technology approach uses radio-frequency identification (RFID) and enables connectivity to sensors. It offers the advantage of an passive, completely independent energy supply without any energy storage components.
Since the system should be permanently embedded in concrete, it is crucial to develop a long-term stable device which is adapted to the environmental influences of the structure, e.g., long-term resistance in very alkaline environment of pH 13. In numerous experiments, the robustness of the system was tested and evaluated. Various tests with encapsulations to protect the electronics were performed, and for long-term validation different concrete specimens were instrumented with RFID-sensor-systems. Their operating time is now around two years and investigations for signs of fatigue and damage to the encapsulation and the electronics are ongoing.
The reuse of existing foundations is considered in various construction Projects to save time and costs while avoiding unnecessary interference with other underground objects. Because the design and as-built drawings might not be complete and questions may arise regarding the condition of the foundations, a detailed investigation is a prerequisite for the planning process in most cases. Nondestructive testing (NDT) techniques are a core part of this endeavor.
The processes and procedure for foundation reuse planning are not yet standardized, and the possibilities and limitations of NDT methods are not known to many planners and stakeholders. The German research Project REFUND (2014–2016) has developed charts for the planning and Investigation process that consider available standards and the current state of the art in NDT.
These charts are separately available for single and strip, slab, and pile foundations. Available NDT methods have been compiled and evaluated for specific tasks at these foundation types, including their respective limitations.
The procedures have been successfully tested in two real-world projects. The results from these projects enable planners to improve the reliability of the process while potentially saving significant resources. This paper discusses the procedures for pile foundations and demonstrates the use of various NDT methods in a project on the reuse of electrical tower foundations.
Concrete piles are used as a foundation when the load capacity of the soil is insufficient or when the sustainable soil is found at a higher depth. Among other impact factors, the load capacity depends on the pile’s integrity and length.
Therefore, verifying these parameters using adequate methods is recommended. The most common procedure is the low-strain integrity test using the hammer impact method. Developed and established in the 1970s, this method uses stress waves induced by a hammer impact at the pile head and its reflections at impedance changes (length, defects, geometry changes) to estimate the length and defect locations. Although this method is widely used due to its low cost and fast conduction in situ, one disadvantage is its inability to classify the exact type of defect, i.e., crack, change in diameter, or concrete quality. Furthermore, very long and slender piles are difficult to test and small defects cannot be detected. In addition, it is necessary for the test engineer to hold a high level of experience and expertise in this field. The European Union–funded PileInspect project (2013–2016) aimed to compensate for these disadvantages by using a low-cost shaker as the excitation source and sophisticated artificial intelligence algorithms for damage detection (higher-order spectra method). Because this technology lacks the capacity to localize damages and verify the pile length, an additional impulse response (IR) measurement technique was developed using vibrational excitation and regularized deconvolution to extract the depth information from the data in a similar manner as the hammer method.
Simulations and subsequent experiments conducted at a test facility on 90-cm-diameter bored piles 11 m in length and containing cracks at approximately 4 m below the pile head confirmed the capacity to determine the pile length.
Damage diagnosis and localization, however, are more difficult than for the hammer method. Although the damaged piles could be distinguished from the intact piles, in a blind test, this method might lead to misinterpretations caused by perturbations arising from the deconvolution process. The results also indicated that the low-cost shaker used for these measurements might be inappropriate for
the transferal of sufficient energy. Although the IR method cannot compensate for the disadvantages of the hammer method by itself, it may enable the possibility of using long and fully controllable and repeatable signals (chirp, synthetic impacts, even noise, etc.) for pile integrity testing in the future.
An important aspect with regard to the service life of zinc based galvanic anodes and the durability of the corrosion protection of steel in concrete is the “galvanic chloride extraction”. Chloride ions move in the electric field generated by the current, flowing between the galvanic anode and the cathodic steel. Migration leads to an accumulation of anions, e.g. chloride ions, at the anode and depletion of chlorides near the steel rebar surface. The ion migration was studied on steel reinforced concrete specimens admixed with 3 wt.% chloride/wt. cement and galvanically protected by a surface applied embedded zinc anode (EZA). The zinc anode was embedded and glued to the concrete surface by a geo-polymer based chloride free binder. The EZA was operated over a period of 1 year and the ion distribution between anode (EZA) and cathode (steel reinforcement) was studied by laser induced breakdown spectroscopy (LIBS) after 5 months, 7 months and 12 months. The results show that chloride ions efficiently migrate in the direction of the zinc-anode and accumulate there. Chloride distribution in the EZA correlates with the distribution of zinc ions generated by the anodic dissolution of the zinc anode in the binder matrix. The microstructure of the binder matrix and its interface to the zinc-anode are studied by REM/EDX – preliminary results will be reported.
Structural Health Monitoring (SHM) is an important part of buildings surveillance and maintenance to detect material failure as early as possible and to contribute in protection of structures and their users.
The implementation of Radio Frequency Identification (RFID) sensor systems without cable connection and battery into building components offers innovative possibilities to enable long-term in-situ SHM of addressed structures, bridges. The objectives of the presented study are complete embedding of RFID sensors systems in concrete, full passive communication with the systems, at best for the whole life span of structures. One challenge for this task is the highly alkaline environment in concrete, which requires non-degrading and robust encapsulation. Further Requirements are passive communication and energy supply, appropriate antenna design, placement and fixation in concrete, and the selection and implementation of sensors and connections. The concept is to develop and optimize a simple and robust system, which meets the requirements, as well as comprehensive validation in concrete specimen and real world applications. Two different systems were developed (HF and UHF RFID, respectively).
First tasks were the implementation of analog sensors using the superposition principle for the signal adaption. Investigation of suitable materials for robust encapsulation and sensor protection against basic environments.
Four materials were investigated in pH 13 solution for 14 days
- 3D-Printer-Polymer was completely resolved
- PVC has no noticeable decrease in weight
- (VitaPro) glass filter for the sensor protector, has weight loss 2.7 %
- The epoxy resin has increased by 1.8 % due to moisture expansion
Different concrete samples were prepared for the validation of the systems.
RFID sensors were embedded in different integration depths. Investigate the energy- and data transfer through concrete, also with varying moisture content. Additionally, signal strength data was used to optimize and validate the antenna characteristics in concrete. Next steps are to guarantee a sufficient energy supply for UHF RFID systems embedded in different concrete mixtures and further embedding the HF and UHF RFID systems in real bridges and buildings to validate the long term monitoring.
The propagation of ultrasonic waves in concrete is affected by its micro- and macro-structure, geometry and properties as well as external influences as stress, temperature or moisture. In addition, age and degradation have a strong influence. Therefore, Ultrasound has been used to monitor concrete samples and structures since decades. However, early applications using conventional techniques as time-of flight or changes in amplitudes have been limited to detect changes in a late stage close to serviceability or ultimate load states.
Around 2000, several new, more sensitive techniques adopted from geophysics or other field of material sciences have been introduced to research in ultrasonic monitoring of concrete. The most discussed methodologies are coda wave interferometry, a technique which allows to detect very subtle changes from repeated ultrasonic measurements. Nonlinear acoustic techniques help to identify e. g. cracks even in an inhomogeneous background. Both techniques can be combined.
This paper reviews methods and results achieved so far on the laboratory scale and with full scale models the directions for future research and application is given as well.
The propagation of ultrasonic waves in concrete is affected by its micro- and macro-structure, geometry and properties as well as external influences as stress, temperature or moisture. In addition, age and degradation have a strong influence. Therefore, Ultrasound has been used to monitor concrete samples and structures since decades. However, early applications using conventional techniques as time-of flight or changes in amplitudes have been limited to detect changes in a late stage close to serviceability or ultimate load states.
Around 2000, several new, more sensitive techniques adopted from geophysics or other field of material sciences have been introduced to research in ultrasonic monitoring of concrete. The most discussed methodologies are coda wave interferometry, a technique which allows to detect very subtle changes from repeated ultrasonic measurements. Nonlinear acoustic techniques help to identify e. g. cracks even in an inhomogeneous background. Both techniques can be combined.
This paper reviews methods and results achieved so far on the laboratory scale and with full scale models the directions for future research and application is given as well.
Ultrasonic non-destructive testing methods have found various applications in quality assurance and condition assessment of nuclear concrete structures. This includes but is not limited to the localization of construction features (thickness measurements, reinforcement, tendon ducts, and others) and damage detection (e. g. corrosion or cracks). However, there are still limitations, e. g. limited penetration depth and resolution, issues when testing hybrid steel/concrete structures as well as absence of standards and regulations.
This presentation will show progress in some of these issues and will focus on advanced instrumentation and validation of ultrasonic NDT for concrete structures.
Ultrasonic echo testing has been limited to a penetration depth of less than one meter in reinforced concrete. The development of the LAUS (Large Aperture Ultrasonic System), using a large array of ultrasonic transducers and wider offsets between transmitter and receiver, allows to reach up to 5 m in reinforced concrete and 9 m in unreinforced concrete. This capability has been demonstrated by collecting data from an engineered salt concrete barrier in an underground nuclear waste storage facility. Due to an increasingly competitive environment, commercial manufacturers will continue to develop equipment with enhanced penetration and/or increased resolution.
To quantify the capabilities and reliability of ultrasonic tests, validation mockups with engineered flaws are required. EPRI and BAM have built a large-scale mockup at a test site close to Berlin (BAM-TTS, Horstwalde) using a design which is repeated at other places. This presentation will also cover the methods deployed on engineered flaws and the repeatability of the test results.
Entwicklung eines luftgekoppelten Ultraschall-Echo-Prüfverfahrens mittels fluidischer Anregung
(2019)
In vielen technischen Bereichen werden Ultraschallverfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung eingesetzt. Dabei wird ein Schallpuls von einem Prüfkopf in ein Prüfobjekt eingebracht. Der Puls kann unter anderem durch Membranen oder Piezoelemente erzeugt werden und wird in der Regel durch direkten Kontakt oder über ein Koppelmittel an das Objekt übertragen. Luftgekoppelter Ultraschall spielt in kommerziellen Anwendungen bisher eine untergeordnete Rolle, da die Differenz der akustischen Impedanzen von Luft und Festkörpern immense Verluste beim Übergang des Schallsignals hervorruft.
In diesem Beitrag soll ein neuartiges Anregungsprinzip vorgestellt werden, mit dem ein Großteil dieser Verluste vermieden wird. Anstelle eines Festkörpers soll mit Hilfe einer fluidischen Düse Druckluft zur Signalerzeugung eingesetzt werden. In dieser Düse wird eine selbsterhaltende Strömungsinstabilität erzeugt, die einen Schallpuls von bis zu 100 kHz hervorruft, sodass der Impedanzverlust in die Umgebungsluft entfällt. Da die charakteristische Frequenz eines fluidisch generierten Pulses maßgeblich von der Bauform der Düse und dem anliegenden Druck abhängt, lässt sich mittels einer geeigneten Strömungsregelung ein breiter Frequenzbereich zur Abtastung nutzen. Die so emittierten Pulse werden auf das Prüfobjekt gerichtet und die reflektierten Signale mit einem Laservibrometer an der Oberfläche des Objekts im Echo-Verfahren abgetastet. Von drei signalmindernden Materialübergängen bei gewöhnlichem luftgekoppeltem Ultraschall bleibt in dem hier vorgeschlagenen Messystem lediglich die Grenzfläche von Luft zu Prüfkörper, sodass eine höhere Signalausbeute als bisher erwartet werden kann.
In this study, an Impulse Response Function analysis of pile response to sine-sweep excitation by a low cost, portable Shaker was used to identify defects in piles. In straightforward impact-echo methods, echoes from the pile toe and defects are visible in the time domain measurements. However, these echoes are not present in the time domain records of piles subjected to sine-sweep excitations, due to interactions between the input and output signals. For this reason, the impulse response function in the time domain has been calculated and is able to identify the echoes from pile impedance changes. The proposed methodology has been evaluated both numerically and experimentally. A one-dimensional pile-soil interaction system was developed, and a finite difference method used to calculate the pile response to sine-sweep excitation. The numerical simulations indicate that impulse response measurements with a synthesized logarithmic, sine-sweep excitation could be an effective tool for detecting defects in piles. The methodology was further tested with field trials on 6 cast in situ concrete test piles including 1 intact pile and 5 defective piles subjected to sine-sweep excitations by a shaker. In 5 of the 6 cases the echoes from the pile toe could be identified in the deconvoluted waveforms—the impulse Response functions. Damage detection is more difficult and dependent on the selection of the optimal regularization parameter. Further research and optimization of the deconvolution process is needed to evaluate the effectiveness compared to standard pile integrity testing methods.
Leitungswasserschäden nahmen im Jahr 2016 mit rund 2,6 Milliarden Euro den größten Posten bei Gebäudeversicherungen ein. Die Bestimmung und Lokalisierung des Schadensausmaßes ist dabei ein erster wichtiger Schritt, um die erforderlichen Sanierungsarbeiten abschätzen und effizient vornehmen zu können. Hierfür sind Radar und Neutronensonden bereits etablierte Verfahren. Für verlässliche Aussagen zum quantitativen Feuchtegehalt eines Baustoffes werden jedoch zerstörende Sondierungsbohrungen zur Kalibrierung der aufgenommenen Daten benötigt. Dieser hohe zeitliche und finanzielle Aufwand soll zukünftig durch den parallelen Einsatz der genannten Messverfahren verhindert werden. In der durchgeführten Studie wurden Estrichprobekörper auf Zement- und Anhydritbasis mit variablen Dicken und Festigkeiten hergestellt und deren Austrocknung mit Radar und Neutronensonde über einen Zeitraum von 90 Tagen beobachtet. Als Referenzverfahren zur Ermittlung des Feuchteverlaufs dienten die gravimetrische Darr- und chemische Calcium-Carbid-Methode, welche an kleineren Schwesterproben der gleichen Charge angewendet wurden. Kontinuierliche Wägungen der größeren Probekörper gaben hierbei Aufschluss über den durch Austrocknung schwindende Wasseranteil. Aus dem aufgenommen Radardatensatz konnten anschließend markante Signalmerkmale im Zeit- und Frequenzbereich extrahiert und deren Zusammenhang zum Feuchtegehalt der Estrichtypen untersucht werden. Hierbei wurden gängige Methoden aus der Literatur zur Feuchtemessung mit Radar angewandt, wobei die Kombination dieser und das Hinzuziehen der Neutronensonde mittels Datenfusion zu einem höheren Informationsgehalt beiträgt. Somit kann eine zerstörungsfreie Quantifizierung des Feuchteschadens an schwimmenden Fußbodenaufbauten vorgenommen werden
Gegenüber dem Neubauentwurf können bei der Bewertung von bestehender Bausubstanz Sicherheitsreserven genutzt werden, da Unsicherheiten, die beim Bau auftreten können, besser bekannt oder nicht mehr vorhanden sind. Können solche Unsicherheiten genauer bewertet werden, z. B. durch die Feststellung der genauen Lage der Spannglieder bei einer Spannbetonbrücke, so können Sicherheitsbeiwerte reduziert werden, ohne dass es dabei zu Auswirkungen auf das normativ festgelegte Zuverlässigkeitsniveau kommt. Mittlerweile sind Prüfmethoden an Bauwerken wirtschaftlich einsetzbar und auch so leistungsfähig, dass die für die Tragfähigkeit und Gebrauchstauglichkeit wesentlichen Parameter identifiziert werden können. Ein wesentlicher Punkt ist hierbei die Integration derartiger Messergebnisse in Rechenmodelle, die für die Nachrechnung des Bauwerks verwendet werden. Dies können sowohl semiprobabilistische Rechenmodelle als auch vollprobabilistische Modelle sein. Bei semiprobabilistischen Methoden können aus den Messergebnissen Teilsicherheitsbeiwerte berechnet und abgeleitet werden, die dann in den bekannten Nachweisformaten gemäß den Eurocodes und der Nachrechnungsrichtlinie berücksichtigt werden. Bei vollprobabilistischen Nachweisen können die Messdaten in Form von Verteilungsdichtefunktionen mit gemessenen Variationskoeffizienten direkt in das Rechenmodell eingehen. In einer dreiteiligen Aufsatzreihe werden die Messverfahren und die Nutzung der Ergebnisse bei der Nachrechnung vorgestellt. Der vorliegende Teil 1 zeigt die Möglichkeiten des Einsatzes von zerstörungsfreien Prüfverfahren und bewertet deren Leistungsfähigkeit. Messen heißt wissen. Dieses Wissen spiegelt die Realität wider und soll den Tragwerksplaner bei der Entscheidungsfindung über die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Bestandsbauwerken unterstützen.
Leitungswasserschäden nahmen im Jahr 2016 mit rund 2,6 Milliarden Euro den größten Posten bei Gebäudeversicherungen ein. Die Bestimmung und Lokalisierung des Schadensausmaßes ist dabei ein erster wichtiger Schritt, um die erforderlichen Sanierungsarbeiten abschätzen und effizient vornehmen zu können. Hierfür sind Radar und Neutronensonden bereits etablierte Verfahren. Für verlässliche Aussagen zum quantitativen Feuchtegehalt eines Baustoffes werden jedoch zerstörende Sondierungsbohrungen zur Kalibrierung der aufgenommenen Daten benötigt. Dieser hohe zeitliche und finanzielle Aufwand soll zukünftig durch den parallelen Einsatz der genannten Messverfahren verhindert werden.
In der durchgeführten Studie wurden Estrichprobekörper auf Zement- und Anhydritbasis mit variablen Dicken und Festigkeiten hergestellt und deren Austrocknung mit Radar und Neutronensonde über einen Zeitraum von 90 Tagen beobachtet. Als Referenzverfahren zur Ermittlung des Feuchteverlaufs dienten die gravimetrische Darr- und chemische Calcium-Carbid-Methode, welche an kleineren Schwesterproben der gleichen Charge angewendet wurden. Kontinuierliche Wägungen der größeren Probekörper gaben hierbei Aufschluss über den durch Austrocknung schwindende Wasseranteil.
Aus dem aufgenommen Radardatensatz konnten anschließend markante Signalmerkmale im Zeit- und Frequenzbereich extrahiert und deren Zusammenhang zum Feuchtegehalt der Estrichtypen untersucht werden. Hierbei wurden gängige Methoden aus der Literatur zur Feuchtemessung mit Radar angewandt, wobei die Kombination dieser und das Hinzuziehen der Neutronensonde mittels Datenfusion zu einem höheren Informationsgehalt beiträgt. Somit kann eine zerstörungsfreie Quantifizierung des Feuchteschadens an schwimmenden Fußbodenaufbauten vorgenommen werden
Ultraschallmessverfahren werden seit Langem erfolgreich für Prüfaufgaben im Bauwesen eingesetzt. Die dauerhafte Überwachung und frühzeitige Erkennung von Schäden an komplexen Neubauten und alternder Infrastruktur kann mittels Ultraschall-Transmissionsmessungen und speziellen Auswertemethoden, wie z. B. Korrelationverfahren und Codawelleninterferometrie, realisiert werden. Für die Dauerüberwachung wurde ein kompaktes System entwickelt, das Ultraschall-Messdaten erfassen und ins Internet auf einen FTP-Server übertragen kann. Es können hierbei alle angeschlossenen Prüfköpfe für jede Messung wahlweise als Sender oder Empfänger geschaltet werden. Es wurden Vorverstärker entwickelt, bei denen die Versorgung mit Strom über die Messleitung erfolgt. Dadurch können die Verstärker nahe am Prüfkopf positioniert werden. Durch Änderungen in den Ultraschall-Signalen können Schädigungen des Bauteils, wie z.B. Risse, in Echtzeit erkannt werden.
Entwicklung eines luftgekoppelten Ultraschall-Echo-Prüfverfahrens mittels fluidischer Anregung
(2019)
In vielen technischen Bereichen werden Ultraschallverfahren zur zer-störungsfreien Werkstoffprüfung eingesetzt. Dabei wird ein Schallpuls von einem Prüfkopf in ein Prüfobjekt eingebracht. Der Puls kann unter anderem durch Membra-nen oder Piezoelemente erzeugt werden und wird in der Regel durch direkten Kontakt oder über ein Koppelmittel an das Objekt übertragen. Luftgekoppelter Ultraschall spielt in kommerziellen Anwendungen bisher eine untergeordnete Rolle, da die Dif-ferenz der akustischen Impedanzen von Luft und Festkörpern immense Verluste beim Übergang des Schallsignals hervorruft.
In diesem Beitrag soll ein neuartiges Anregungsprinzip vorgestellt werden, mit dem ein Großteil dieser Verluste vermieden wird. Anstelle eines Festkörpers soll mit Hilfe einer fluidischen Düse Druckluft zur Signalerzeugung eingesetzt werden. In die-ser Düse wird eine selbsterhaltende Strömungsinstabilität erzeugt, die einen Schall-puls von bis zu 100 kHz hervorruft, sodass der Impedanzverlust in die Umgebungsluft entfällt. Da die charakteristische Frequenz eines fluidisch generierten Pulses maßgeb-lich von der Bauform der Düse und dem anliegenden Druck abhängt, lässt sich mittels einer geeigneten Strömungsregelung ein breiter Frequenzbereich zur Abtastung nut-zen. Die so emittierten Pulse werden auf das Prüfobjekt gerichtet und die reflektierten Signale mit einem Laservibrometer an der Oberfläche des Objekts im Echo-Verfahren abgetastet. Von drei signalmindernden Materialübergängen bei gewöhnlichem luftge-koppeltem Ultraschall bleibt in dem hier vorgeschlagenen Messystem lediglich die Grenzfläche von Luft zu Prüfkörper, sodass eine höhere Signalausbeute als bisher er-wartet werden kann.
Das Projekt befasst sich mit einem neuen Ansatz, den pH-Wert im Beton zu bestimmen.
Der pH-Wert ist vor allem für Stahlbeton-Bauwerke von Bedeutung, da dieser maßgeblich die Korrosion des Stahls beeinflusst. Im frischen Beton liegt der pH-Wert im basischen Bereich.
Der Stahl ist in diesem Bereich passiviert, also vor schädlicher Korrosion geschützt. Durch die sogenannte Karbonatisierung sinkt der pH-Wert und die Korrosionswahrscheinlichkeit steigt deutlich an. Die Stabilität von Bauwerken in denen Stahlbeton verbaut ist, wird durch diese Korrosion langfristig beeinträchtigt. Allein in deutscher Infrastruktur rechnet man mit circa 5 Milliarden Euro Schaden jährlich.
Die entwickelte Methode verwendet Sonden, welche die Korrosion Monitoren sollen. Im Sondeninneren befindet sich eine Schicht pH-Indikator (Thymolblau) und eine Schicht mit Quantenpunkten. Die Quantenpunkte fluoreszieren, nach Anregung durch zum Beispiel einen Laser, bei circa 440 nm (blau) beziehungsweise 610 nm (gelb-orange). Das Thymolblau ist im basischen Milieu (pH > 9,6) blau, im neutralen Milieu (um pH 7) gelb-orange. Der Indikator wirkt wie ein Farbfilter und lässt, je nach pH-Wert, unterschiedliche Wellenlängen zur Glasfaser durch. Aus der gemessenen Intensität bei 440 nm und 610 nm kann ein Verhältnis ermittelt werden. Dieses Verhältnis lässt erkennen, welchen pH-Wert das Milieu besitzt, in dem sich die Sonde befindet.
Die entwickelte Methodik ist zerstörungsfrei, das heißt kein Material muss aus den Bauwerken entnommen werden. Vielmehr sollen die Sonden beim Betonieren in das Bauwerk eingebettet werden. Über Glasfasern können die Sonden jederzeit angesprochen werden. Dies ermöglicht permanentes pH-Monitoring, was die Früherkennung von Korrosionsgefahr verbessert und die Sanierungskosten verringert.
The reassessment of bridges is becoming increasingly important. The basic requirement for analyses of structural safety is reliable knowledge about individual structures. This paper introduces the new approach to evaluate the quality of measured data gained from non-destructive testing (NDT) to provide reliable, objective, and relevant information about existing bridges. The purpose is to relate this validated knowledge to probabilistic analyses. Bridging the gap between NDT and numerical reassessments indicates reduced numerical uncertainties and residual service time extensions. This paper deals with an application of this approach using measurement data collected by ultrasonic technique at a prestressed concrete bridge.
The closure of underground nuclear waste disposal facilities requires reliable gas- and water-tight engineered barriers. In Germany, barriers made from salt concrete have been evaluated in full scale. While the barriers seem to fulfill the requirements regarding permeability, some unexpected cracks have been detected at the surface and at depth. In cooperation between the Federal Company for Radioactive Waste Disposal (BGE) and the Federal Institute for Materials Research and Testing (BAM), several experiments have been carried out to evaluate the applicability for ultrasonic measurements in crack detection and general quality assurance. Both commercial instruments and specially developed devices have been tested on site.
Using commercial ultrasonic echo devices designed for concrete inspection it was possible to detect cracks and objects in salt concrete up to a depth of 2 m. The check for delamination in shotcrete is another field of application. A unique device available at BAM, the wide aperture, deep penetration instrument LAUS, was able to locate cracks and objects up to a depth of 8 m so far, which is thought to be a record for ultrasonic echo measurements in concrete. Adapted imaging procedures, partly adopted from geophysics, helped to reveal 3D structure at depth.
In addition, we have developed ultrasonic probes to be deployed in boreholes, currently at up to 20 m depth. They can collect information on cracks and other features in a radius of about 1.5 m around the borehole in the current version and might be used in echo or transmission mode. Evaluation experiments have been performed at an experimental barrier at the ERAM site in Morsleben, Germany. The results showed several empty and injected cracks as well as built-in instrumentation. The results have been verified using borehole endoscopy as well as core examination and will be used to set up a reliable quality assurance system for engineered barriers. All instruments are based on ultrasonic shear wave transducers with a frequency range between 25 kHz and 100 kHz. Current research focuses on the improvement of the hardware (e. g. optimization of array characteristics) and imaging techniques such as Reverse Time Migration, both aiming at the improvement of depth of penetration, resolution and probability of detection.
The proposed BAM project SealWasteSafe will advance the state of the art for the construction and monitoring of safe sealing systems for underground repositories of radioactive or toxic waste. During this project, a novel salt concrete exhibiting neither significant cracking nor shrinkage will be optimized for use in the sealing systems. The composition of this material will be based on alkali-activated materials, which are characterized by particularly small thermal deformations during the hardening reaction. Quality assurance and continuous monitoring systems developed during this project will be demonstrated not only for high reliability, but also for resistance to highly alkaline environments and to water intrusion along cables or at sensor locations. A variety of sensors will be used in combination with wireless Radio Frequency Identification (RFID) technology to record moisture, temperature, and, if necessary, corrosion activity within the sealing system. Distributed Fibre Optic Sensor (FOS) technology will also be used for strain, temperature, and moisture content measurement. Ultrasound-based measuring methods will be utilized for the detection of cracks and delaminations. Additionally, digital image correlation and acoustic emission analysis will be used for deformation measurements and crack detection. A novel borehole probe and advanced ultrasound imaging techniques will be further developed to track cracks and delaminations within the host rock in 3D. The surface-based Large Aperture Ultrasound System (LAUS) will also be utilized to detect cracks and delaminations deep below the exterior surface of the sealing system. Although the focus of this project will be on the host rock salt, the resulting technologies will be intentionally developed in a way that facilitates their adaptation to other host rocks.
The reassessment of bridges is becoming increasingly important. The basic requirement for analyses of structural safety is reliable knowledge about individual structures. This paper introduces the new approach to evaluate the quality of measured data gained from non-destructive testing (NDT) to provide reliable, objective, and relevant information about existing bridges. The purpose is to relate this validated knowledge to probabilistic analyses. Bridging the gap between NDT and numerical reassessments indicates reduced numerical uncertainties and residual service time extensions. This paper deals with an application of this approach using measurement data collected by ultrasonic technique at a prestressed concrete bridge.
Ein Endlager für radioaktive Abfälle muss auf Dauer vor dem Eindringen von Wasser geschützt werden. Aus diesem Grund errichtete die Bundesgesellschaft für Endlagerung (BGE) ein Verschlussbauwerk als InSitu Versuch im Endlager Morsleben. Hierfür wurde eine bergmännische Auffahrung mit Salzbeton verfüllt.
Zusätzliche in regelmäßigen Abständen eingebaute Trennbleche sollen der Ausbreitung eventueller Risse entgegenwirken.
Das Versuchsobjekt wurde mit Ultraschallmessungen bezüglich der Lage und Orientierung möglicher Risse untersucht. Diese Messungen wurden an der Stirnfläche des Salzbetonkörpers durchgeführt. Für die Datenakquisition fand ein neuartiges Messsystem Anwendung, mit welchem ein seismisches Akquisitionsschema realisiert werden kann. Dieses setzt sich aus mehreren Prüfköpfen zusammen, welche sowohl als Sender als auch als Empfänger fungieren. Somit lassen sich auch größere Sender-Empfänger-Abstände realisieren.
Vor der Bearbeitung der realen Messdaten wurde ein realitätsnahes synthetisches Modell erstellt, mit welchem die Abbildung eines Risses, eines eingebauten Monitoring-Instruments sowie des ersten Trennbleches in einer Tiefe von 8 m untersucht wurden. Die generierten synthetischen Daten wurden nach minimaler Preprozessierung mittels Kirchhoff-Prestack-Tiefenmigration sowie Reverse Time Migration (RTM) in Tiefensektionen umgewandelt. Insbesondere bei der Abbildung steilstehender Reflektoren lieferte die RTM hier ein besseres Ergebnis.
Im Anschluss wurden reale Messdaten in der gleichen Weise bearbeitet. Zusätzlich wurden die Ergebnisse mit denen der Synthetic-Aperture-Focusing-Technique (SAFT) verglichen. Dieses Verfahren ist der Kirchhoff-Migration sehr ähnlich und findet in der zerstörungsfreien Werkstoffprüfung routinemäßig Anwendung. Es stellte sich heraus, dass der RTM Algorithmus in einigen Fällen ein realitätsnäheres Abbild liefert. Die Resultate von Kirchhoff-Migrationund SAFT-Rekonstruktion sind hingegen sehr ähnlich. Alle Verfahren lokalisierten in gleicher Weise Risse in verschiedenen Tiefenlagen, welche hauptsächlich oberflächenparallel orientiert sind. Diese werden auch von Bohrungen bestätigt. Besonders herauszustellen ist die deutliche Abbildung des Trennbleches in großer Tiefe, was bisher noch nicht eindeutig gelungen war.
The necessity and demand for nondestructive testing of wood-based materials which can automatically scan huge areas of wood is increasing. 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. If only one side of an object is accessible the reflection mode is preferred at the expense of a reduced resolution and penetration depth. 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, defects such as delamination, rot, and cracks can be detected. Promising results were obtained under laboratory conditions with frequencies from 90 kHz to 200 kHz. The advantage of these 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.
In earthquake-prone regions such as the Pacific Northwest, damage assessment tools are needed to enable safety evaluations to support recovery. Currently, damage assessment is performed primarily by visual inspection and is often impossible for structural members that are inaccessible, such as deep foundations or interior members hidden by cladding. This study explores the possibility of using embedded ultrasonic transducers to monitor reinforced concrete members for damage progression under earthquake loading. A novel methodology is proposed where changes in the member condition due to an increase in the earthquake-type loading of a full-scale column-foundation specimen are correlated with changes in the recorded ultrasonic waveforms. The discussed preliminary analysis of the ultrasonic signals is based on wave propagation velocity, changes in the coda wave portion, and maximum amplitude of the signals. Three embedded transducers were used to continuously monitor the laboratory specimen during destructive testing. This paper provides an overview of the proposed methodology, outlines the laboratory experiment, and discusses some preliminary observations.
In earthquake-prone regions such as the Pacific Northwest, damage assessment tools are needed to enable safety evaluations to support recovery. Currently, damage assessment is performed primarily by visual inspection and is often impossible for structural members that are inaccessible, such as deep foundations or interior members hidden by cladding. This study explores the possibility of using embedded ultrasonic transducers to monitor reinforced concrete members for damage progression under earthquake loading. A novel methodology is proposed where changes in the member condition due to an increase in the earthquake-type loading of a full-scale column-foundation specimen are correlated with changes in the recorded ultrasonic waveforms. The discussed preliminary analysis of the ultrasonic signals is based on wave propagation velocity, changes in the coda wave portion, and maximum amplitude of the signals. Three embedded transducers were used to continuously monitor the laboratory specimen during destructive testing. This paper provides an overview of the proposed methodology, outlines the laboratory experiment, and discusses some preliminary observations.
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. This paper gives an overview of the state of the art, recent results achieved at BAM and a task list for further results and development.
The necessity and demand for nondestructive testing of wood-based materials which can
automatically scan huge areas of wood is increasing. 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. If only one side of an object is accessible the reflection mode is preferred at the expense of a reduced resolution and penetration depth. 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, defects such as delamination, rot, and cracks can be detected. Promising results were obtained under laboratory conditions with frequencies from 90 kHz to 200 kHz. The advantage of these 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.
Die Idee des Dissertationsprojekts ist der parallele Einsatz des Radarverfahrens und der Neutronensonde zur Lokalisierung von Feuchteschäden in Fußbodenaufbauten. Hierbei soll die integrale Messweise der Neutronensonde durch die vertikale Information des Radarsignals ergänzt werden, um zukünftig auf zerstörende Sondierungsbohrungen verzichten zu können. Primäres Ziel ist eine automatisierte und zerstörungsfreie Klassifizierung und Quantifizierung verschiedener Schadensfälle im Fußboden, welche zur Abschätzung und Auswahl des Sanierungsaufwands dienen soll. In systematischen Laborstudien an modular aufgebauten Referenzprobekörpern werden die Nachweisgrenzen der beiden Verfahren für unterschiedliche, häufig anzutreffende Fußbodenaufbauten untersucht. Hierfür wurde ein Satz verschiedenster Estrichprobekörper gefertigt und deren Hydratisierungsprozess gravimetrisch und mit den benannten Feuchtemessverfahren beobachtet. In der laufenden Auswertung konnten bereits signifikante Signalmerkmale der Radarmessungen extrahiert, sowie dessen Korrelation zum Feuchteverlauf der Proben gezeigt werden. Der modulare Aufbau der Fußbodenschichten zur Simulation von gängigen Feuchteschäden folgt im Anschluss. Über Datenfusion und Signalverarbeitung sollen so innovative Auswertungsansätze entwickelt und deren Validität an realen Schadensfällen geprüft werden.
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. This paper gives an overview of the state of the art, recent results achieved at BAM and a task list for further results and development.
Dieses erste Memorandum zur Lehre und Forschung an deutschsprachigen Hochschulen auf dem Gebiet der zerstörungsfreien Prüfung im Bauwesen gibt einen Überblick hinsichtlich der akademischen Ausbildung und zeigt mögliche Schwerpunkte vor allem in der Lehre auf. Diese Schwerpunkte berücksichtigen auch aktuelle Entwicklungen und Themen auf dem Gebiet der Forschung. Es werden Anregungen zur Entwicklung bzw. Weiterentwicklung der Lehr-Curricula im Hinblick auf eine umfassende und solide fachliche Ausbildung der Studierenden des Bauwesens und angrenzender Fachrichtungen gegeben. Inhaltlich und formal lehnt sich der Beitrag an dem Memorandum der Hochschullehrer im Fachgebiet „Werkstoffe im Bauwesen“ (Breit et al., 2012) an und beruht auf einer Initiative des Unterausschusses Ausbildung – Arbeitsgruppe Ausbildung in der Hochschule – des Fachausschusses ZfP im Bauwesen der Deutschen Gesellschaft für zerstörungsfreie Prüfung (DGZfP). Die Hauptredaktion wurde übernommen von Prof. Christian U. Grosse (TU München) und Prof. Ralf W. Arndt (FH Erfurt).
Die zerstörungsfreie Erfassung der Feuchteverteilung im Porensystem eines Baustoffes ist in der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) von großer Bedeutung, da Feuchte (i. d. R. in Form von Flüssigwasser) ein hohes Schadenspotential für die Materialien und Konstruktionen aufweist. Für die Lokalisierung möglicher Schad- oder Risikostellen und die Einleitung von Präventionsmaßnahmen sind vor allem Kenntnisse über das Porengefüge und Feuchtetransportmechanismen im Baustoff erforderlich. Derzeit besteht allerdings eine wesentliche Problematik in der Erfassung und Quantifizierung von Feuchteverteilungen bei Teilsättigung.
In der ZfP stellt die Nuklear Magnetische Resonanz (NMR) ein geeignetes Verfahren zur Feuchtedetektion dar. Mit diesem Verfahren lassen sich prinzipiell Relaxationszeiten von Wasserstoffprotonen in Abhängigkeit von ihrer Bindungsart und der Porenumgebung messen. In Baustoffen dominieren jedoch die Signalanteile des freien (schadensträchtigen) Wassers zumeist stark. Und eine derzeit noch ungeklärte Frage ist, ob bei Materialien mit sehr breiten Porengrößenverteilungen größere teilgesättigte von kleineren vollgesättigten Poren durch unterschiedliches Relaxationsverhalten unterschieden werden können.
In dieser Arbeit wird die Eignung von NMR für die Ermittlung von Feuchteverteilungen in Naturstein sowohl bei Voll- als auch bei Teilsättigung untersucht. Die Bestimmung des Flüssigwasseranteils in teilgesättigten Poren soll dabei durch eine Korrelation von NMR und relativen Luftfeuchten erfolgen. Dazu werden 12 verschiedene Sandsteinproben, deren Poren(eingangs-)größenverteilungen mit der Quecksilberporosimetrie bereits ermittelt wurden, untersucht. Die Proben werden in einem Klimaschrank bei 23°C und relativen Luftfeuchten von 40 bis 90% schrittweise aufgesättigt. Nach Abschluss jedes Aufsättigungsschrittes werden mit der NMR-Relaxometrie die T2-Relaxationszeitenverteilungen bestimmt. Durch die Nutzung eines weiterentwickelten Ansatzes von Hillerborg lassen sich schließlich zu jeder Luftfeuchte die adsorbierte Wasserfilmdicke und somit der Porensättigungsgrad berechnen. Mithilfe dieser Zusatzinformation ist eine genauere Analyse der Relaxationszeitenverteilungen bei Teilsättigung möglich. Am Ende dieser Arbeit soll erstmals der Zusammenhang des Wassersignals und dem Porensystem eines Baustoffes mit multimodaler Porengrößenverteilung bei Teilsättigung aufgezeigt werden.
Zahlreiche Schädigungsprozesse in Baustoffen stehen im engen Zusammenhang mit Feuchteeintrag und Feuchtetransport. Als Beispiel sind die schädigende Alkali-Kieselsäurereaktion (AKR) von Beton sowie Frost-Tauwechsel induzierte Gefügeschäden genannt. Zur zerstörungsfreien, ortsaufgelösten Feuchtemessung eignet sich die im Bereich der Geophysik etablierte, aber im Bauingenieurwesen noch wenig verbreitete, Messmethode der Nuklear Magnetischen Resonanz (NMR). Unter Verwendung der NMR-Relaxometrie sind sowohl Aussagen zum Feuchtegehalt und dessen räumliche Verteilung als auch die Charakterisierung der Porengrößen möglich, die das Transportverhalten eines porösen Materials maßgeblich beeinflussen.
Zur Erfassung der Mikro- und Mesoporen in Baustoffen ist dabei die Auflösung von kurzen T2 Relaxationszeiten unabdingbar. Bisher ist es mit gängigen NMR-Laborgeräten nur begrenzt möglich, solche kurzen T2-Zeiten schichtselektiv zu erfassen. Vor diesem Hintergrund wurde ein speziell für die Messung an mineralischen Baustoffen optimierter NMR-Tomograph beschafft. Dieser ermöglicht sowohl schichtselektive Messungen von Bohrkernen mit Durchmessern von bis zu 70 mm als auch bildgebende Untersuchungen an Proben mit Durchmessern ≤ 40 mm.
Erste Untersuchungsergebnisse an Sandstein, Tuffstein und Beton zeigen die Leistungsfähigkeit des neuen NMR-Tomographen zur Erfassung der porengrößenspezifischen Feuchteverteilung. In diesem Beitrag werden erste Ergebnisse verschiedenartiger Laborversuche exemplarisch dargestellt.
Für Sandsteine mit unterschiedlichsten Porengrößenverteilungen wurden mit dem neuen NMR-Tomographen und einem herkömmlichen NMR-System vergleichbare T2 Zeitenverteilungen ermittelt. Am sehr heterogenen Tuffstein konnten unterschiedlich poröse (und feuchte) Bereiche räumlich aufgelöst werden. Im Beton ließ sich der Feuchtetransport im Zementstein porengrößenspezifisch, schichtselektiv und zeitlich aufgelöst verfolgen.
Die bisher gewonnenen Ergebnisse zeigen das breite Anwendungsspektrum des neuen NMR Tomographen auf und ermöglichen ein besseres Verständnis des Feuchtetransports und der oft damit einhergehenden Schädigungsprozesse in Baustoffen.
Seismic methods are increasingly used to improve ultrasonic imaging and monitoring of concrete. At BAM, we are research mainly the use of Reverse Time Migration to get better images from ultrasonic echo data of thick, complex concrete structures. Coda wave interferometry is used to detect subtle changes in concrete constructions, e. g. using embedded ultasonic transducers.
The assessment of Coda Wave Interferometry (CWI) and Distributed Fiber Optics Sensing (DFOS) techniques for the detection of damages in a laboratory size reinforced concrete beam is presented in this paper. The sensitivity of these two novel techniques to micro cracks is discussed and compared to standard traditional sensors. Moreover, the capacity of a DFOS technique to localize cracks and quantify crack openings is also assessed. The results show that the implementation of CWI and DFOS techniques allow the detection of early subtle changes in reinforced concrete structures until crack formation. With their ability to quantify the crack opening, following early detection and localization, DFOS techniques can achieve more effective monitoring of reinforced concrete structures. Contrary to discrete sensors, CWI and DFOS techniques cover larger areas and thus provide more efficient infrastructures asset management and maintenance operations throughout the lifetime of the structure.
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.
The process of ensuring reliability of NDT applications contains various aspects, such as determining the performance and probability of success, the uncertainty in measurement, the provision of clear and functional procedures and ensuring the correct application accordingly. Test specimens have become powerful elements in supporting many of these aspects. Within the committee for NDT in Civil Engineering (NDT-CE) of the German Society for Nondestructive Testing (DGZfP), the subcommittee on Quality Assurance (UA-QS) therefore addresses the design and the integration of test specimens in the quality assurance process. Depending on the specific purpose, the requirements on test specimens can vary significantly based on the defined simulated scenario. The most prominent purposes of test specimens might be seen in providing references for inspection systems in regard to function control, calibration and validation. Further aspects can be parametric studies, basic investigation of physical principles related to NDT or a simplified and therefore comprehensive demonstration of inspection concepts (e.g. for teaching purposes). The specific purpose of a test specimen dictates the requirements regarding its conception, including the exact design, the material or the fabrication accuracy and the conditioning. In the development of a general guideline by the UA-QS for application-specific procedures and their validation, the use of test specimens is addressed and specific concepts for the design of test specimens are made. This includes the analysis of the measurement process regarding any given application, deriving an adequate calibration approach for it and designing test specimens (calibration specimens) accordingly. Furthermore, it includes the validation of the procedure taking into account all conditions related to the specific application in the field. The validation requires a statistically sufficient number of trials. Thorough evaluation of each trial can only be established if the ground-truth is known. Therefore, test specimens providing a realistic but controlled simulation of the inspection problem are valuable and indispensable elements in the validation process. The requirement of being fully realistic will often not be possible to fulfill due to practical restrictions. Any aspect that cannot be included in the simulation realistically needs to be simulated conservatively. This again, requires a sufficient understanding of the inspection principle and technique to ensure conservativeness. Among other quality-assurance-related aspects, the UA-QS establishes concepts and guidelines regarding sound and efficient approaches for the specific purposes of test specimens. This subcommittee brings together representatives of different Groups along the entire value chain of NDT-CE, including researchers, practitioners, manufacturers and clients. They all work together in establishing a common understanding and level of quality assurance in the industry.
The field of non-destructive testing of civil structures (NDT-CE) has been continuously growing. Due to the complexity and diversity of civil constructions as well as the heterogeneity of concrete, specific standards or guidelines for the application of modern NDT-CE are still missing. The development of individual solutions is the current approach, which is just as challenging as it is common for NDT-CE.
With the increasing development and commercialization of NDT-CE technology, the group of practitioners is growing. To ensure a good level of quality in the industry, it appears necessary to establish adequate means.
Naturally, the performance of NDT-CE methods regarding a specific application is strongly dependent on choosing the most suitable inspection technique and applying it correctly, generally referred to as the inspection procedure in the field of NDT. There are well-defined guidelines regarding procedure documentation and handling in many fields of NDT (e.g. nuclear, aerospace or automotive) according to the high importance of procedures in assuring a successful and reliable application. For a long time, this has not always been the case with NDT-CE, which is still considered a unique discipline of NDT. Part of the reason for that might be the young development state of NDTCE, the heterogeneity of building materials like concrete, timber or masonry as a material and the diversity of civil structures. In consequence, NDT-CE procedure development is considered challenging.
Among other aspects, addressed in the subcommittee on Quality Assurance (UA-QS) within the committee for NDT-CE of the German Society for Nondestructive Testing (DGZfP), part of its work aims at establishing an adequate basis for NDT-CE procedure development. While some of the highly developed approaches from other industries are taken into consideration, they need to be analyzed regarding their suitability for NDT-CE and adapted accordingly. For a procedure to be as defined as possible, it needs to contain sufficient information, such as the scope and limitations regarding material, geometry and condition of the test object, inspection parameters, calibration, data acquisition, analysis criteria as well as requirements regarding the inspection personnel.
For a successful implementation in the field, it is important to define the specific procedure as precisely as possible. Despite the necessity of a great amount of information to be included, the procedure needs to be suitable for efficient field application.
The UA-QS is developing a guideline for NDT-CE procedures suitable for application in this field of NDT to ensure correct and reproducible application. To demonstrate and evaluate this concept, specific examples of procedures are also produced. In particular, the UA-QS has developed a procedure for the detection and positioning of tendon ducts using Ground Penetrating Radar (GPR). This procedure is tested regarding the practical applicability in a roundrobin on a defined type of reference test block.
The LAUS: First Applications of a New System for Ultrasonic Imaging of Very Concrete Structures
(2019)
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.
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 fatigue phenomena that could lead to premature failure of certain structural elements. To date, fatigue of reinforced concrete has been given little focus. Knowledge 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 time-variant loading on concrete structures plays an increasing role, e.g. in bridges with increasing traffic and heavier trucks, and for wind turbines for renewable energy production, e.g. for 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 concrete 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.
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.