Chemie und Prozesstechnik
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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.
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.
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 presented work discusses the accuracy of Laser Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS) in determining the total chloride content in cement pastes. LIBS as an emission spectroscopy method is used to detect simultaneously several elements present in cement-based materials. By scanning surfaces the variability in the spatial distribution of elements can be visualised. However, for a quantification of the results, studies are necessary to characterise possible influences due to the wide variation of the chemical compositions in which cement can occur. It is shown how the calibration can be done, how the calibration samples were produced, and which statistical parameters are necessary to describe the precision of the regression. The performance of LIBS is estimated by detecting chloride in validation samples. Therefore, 55 samples and 7 ets with changing mix ompositions were produced. The presented study deals with possible influences of different mix compositions, ncluding different cations of chloride, varying w/c-ratios and the artial replacement of Portland cement with last furnace slag (50% BFS) and limestone (30% LS). Comparing the LIBS results with otentiometric titration, n accuracy of±0.05 wt%/total has been determined.
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.
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.
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.
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.
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.
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).
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.
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.
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.
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 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.
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 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 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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 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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
New possibilities for concrete analysis 4.0 with the Laser-Induced Breakdown Spectroscopy (LIBS)
(2020)
In civil engineering the damage assessment of concrete infrastructures is an important task to monitor and ensure the estimated life-time. The aging of concrete is caused by different damage processes like the chloride induced pitting corrosion of the reinforcement. The penetration depth and the concentration of harmful species are crucial factors in the damage assessment. As a highly cost and time-consuming standard procedure, the analysis of concrete drill cores or drilling by wet-chemistry is widely used. This method provides element concentration to the total mass as aggregates and binder are homogenized. In order to provide a method that is capable to detect the element concentration regarding the cement content only, the laser-induced breakdown spectroscopy (LIBS) will be presented. The LIBS method uses a focused pulsed laser on the sample surface to ablate material. The high-power density and the laser-material interaction causes a laser-induced plasma that emits elemental and molecular line emission due to energy transition of the excited species in the plasma during the cooling phase.
As each element provides element-specific line emission, it is in principle possible to detect any element on the periodic table (spectroscopic fingerprint) with one laser shot. In combination with a translation stage the sample under investigation can be spatially resolved using a scan raster with a resolution up to 100 µm (element mapping). Due to the high spatial resolution, the element distribution and the heterogeneity of the concrete can be evaluated. By using chemometrics the non-relevant aggregates can be excluded from the data set and the element concentration can be quantified and referred to a specific solid phase like the binding matrix (cement) only. In order to analyze transport processes like diffusion and migration the twodimensional element distributions can provide deep insight into the transport through the pore space and local enrichments of elements. As LIBS is a multi-elemental method it is also possible to compare the ingress and transport process of different elements like Cl, Na, K, S, C, and Li simultaneously and evaluate cross-correlations between the different ions. Furthermore, the element mapping allows to visualize the transport along cracks. This work will show the state of the art in terms of hardware and software for an automated LIBS system as well as different application for a concrete analysis 4.0. Focus will be the application of LIBS for a fast concrete analysis.
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.
Schnelle ortsaufgelöste Chloridbestimmung mit der laserinduzierten Plasmaspektroskopie (LIBS)
(2020)
Im Zuge der Ist-Zustandserfassung von Stahl- und Spannbetonbauwerken spielt die chemische Analyse von Beton eine zentrale Rolle. Durch den externen Eintrag von schädigenden Substanzen wie Chlorid oder Alkalien aus Tausalzen oder Meerwasser, kann u.U. der Beton und/oder die Stahlbewehrung angegriffen werden. Bei Überschreitung kritischer korrosionsauslösender Chloridgehalte, z.B. bei Stahlbeton 0,4 M.-% (bzw. 0,5 M.-%) und Spannbeton 0,2 M.-% bezogen auf den Zement, erhöht sich das Risiko für eine Chlorid-induzierte Korrosion. Für die Beurteilung eines Instandsetzungsbedarfs und, sofern notwendig, der Erarbeitung eines Instandsetzungskonzeptes muss nach der Rili-SIB1 ein sachkundiger Planer herangezogen werden. Standardmäßig werden für die chemische Analyse Bohrkerne bzw. Bohrmehlproben aus dem zu untersuchenden Bauwerk entnommen und nach aufwendiger Probenvorbereitung nasschemisch analysiert (nach DAfStb Heft 401 oder DIN 14629). Dabei wird der Gesamtchloridgehalt bezogen auf die Einwaage angegeben. Eine Umrechnung auf den Zementgehalt erfolgt i.d.R. durch Schätzwerte. Der Einsatz der laserinduzierten Plasmaspektroskopie (LIBS) wird seit Mitte der 90er Jahren an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung erforscht, um den Chloridgehalt durch eine ortsaufgelöste Elementanalyse an einer Betonprobe möglichst genau zu ermitteln. Die zweidimensionale LIBS-Messung mit einer lateralen Auflösung von 100 µm x 100 µm erlaubt die Berücksichtigung der Heterogenität von Beton. Dabei lassen sich die Bindemittelmatrix und die Gesteinskörnung separat betrachten, wodurch sich die Aussagekraft der Ergebnisse und somit die Sicherheit der chemischen Zustandserfassung erhöht. Durch die stetige Weiterentwicklung von Komponenten wie Laser, Spektrometer und analytischer Auswerteroutinen sind mittlerweile automatisierte Systeme für die schnelle LIBS-Analyse auf dem Markt verfügbar. In diesem Vortrag wird der aktuelle Stand der Technik anhand von Praxisbeispielen präsentiert und entscheidende Vorteile gegenüber dem Standardverfahren herausgestellt. Aufgrund der Möglichkeit für eine simultane Multielementanalyse mit LIBS werden weitere Anwendungen, wie z.B. die Ermittlung der Karbonatisierungstiefe, Untersuchungen von Transportprozessen, Chlorideintrag entlang von Rissen oder Untersuchungen von Elementverteilungen im Kontext einer AKR vorgestellt.
Im Zuge der Ist-Zustandserfassung von Stahl- und Spannbetonbauwerken spielt die chemische Analyse von Beton eine zentrale Rolle. Durch den externen Eintrag von schädigenden Substanzen wie Chlorid oder Alkalien aus Tausalzen oder Meerwasser, kann u.U. der Beton und/oder die Stahlbewehrung angegriffen werden. Bei Überschreitung kritischer korrosionsauslösender Chloridgehalte, z.B. bei Stahlbeton 0,4 M.-% (bzw. 0,5 M.-%) und Spannbeton 0,2 M.-% bezogen auf den Zement, erhöht sich das Risiko für eine Chlorid-induzierte Korrosion. Für die Beurteilung eines Instandsetzungsbedarfs und, sofern notwendig, der Erarbeitung eines Instandsetzungskonzeptes muss nach der Rili-SIB1 ein sachkundiger Planer herangezogen werden. Standardmäßig werden für die chemische Analyse Bohrkerne bzw. Bohrmehlproben aus dem zu untersuchenden Bauwerk entnommen und nach aufwendiger Probenvorbereitung nasschemisch analysiert (nach DAfStb Heft 401 oder DIN 14629). Dabei wird der Gesamtchloridgehalt bezogen auf die Einwaage angegeben. Eine Umrechnung auf den Zementgehalt erfolgt i.d.R. durch Schätzwerte. Der Einsatz der laserinduzierten Plasmaspektroskopie (LIBS) wird seit Mitte der 90er Jahren an der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung erforscht, um den Chloridgehalt durch eine ortsaufgelöste Elementanalyse an einer Betonprobe möglichst genau zu ermitteln. Die zweidimensionale LIBS-Messung mit einer lateralen Auflösung von 100 µm x 100 µm erlaubt die Berücksichtigung der Heterogenität von Beton. Dabei lassen sich die Bindemittelmatrix und die Gesteinskörnung separat betrachten, wodurch sich die Aussagekraft der Ergebnisse und somit die Sicherheit der chemischen Zustandserfassung erhöht. Durch die stetige Weiterentwicklung von Komponenten wie Laser, Spektrometer und analytischer Auswerteroutinen sind mittlerweile automatisierte Systeme für die schnelle LIBS-Analyse auf dem Markt verfügbar. In diesem Vortrag wird der aktuelle Stand der Technik anhand von Praxisbeispielen präsentiert und entscheidende Vorteile gegenüber dem Standardverfahren herausgestellt. Aufgrund der Möglichkeit für eine simultane Multielementanalyse mit LIBS werden weitere Anwendungen, wie z.B. die Ermittlung der Karbonatisierungstiefe, Untersuchungen von Transportprozessen, Chlorideintrag entlang von Rissen oder Untersuchungen von Elementverteilungen im Kontext einer AKR vorgestellt.
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.
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.
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.
Rund ein Jahr haben DIN und DKE in einem gemeinsamen Projekt mit dem Bundesministerium für Wirtschaft und Energie und zusammen mit ca. 300 Fachleuten aus Wirtschaft, Wissenschaft, öffentlicher Hand und Zivilgesellschaft an der Normungsroadmap Künstliche Intelligenz gearbeitet. Eine hochrangige Steuerungsgruppe unter dem Vorsitz von Prof. Wolfgang Wahlster hat die Erarbeitung koordiniert und begleitet.
Ziel der Roadmap ist die frühzeitige Entwicklung eines Handlungsrahmens für die Normung und Standardisierung, der die internationale Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Wirtschaft unterstützt und europäische Wertmaßstäbe auf die internationale Ebene hebt.(...)
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.
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.
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
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.
Due to the ageing of the infrastructure facilities, a reliable assessment of the condition of concrete structures is of great interest to plan timely and appropriate measures. In concrete structures, pittingcorrosion of the reinforcement is the predominant deterioration mechanism affecting serviceability and eventually structural performance. Determination of quantitative chloride ingress is not only necessary to obtain valuable information on the current condition of a structure, but the data obtained can also be used to predict future developments and the associated risks. An overview of the progress and the possibilities of the application of laser-induced breakdown spectroscopy for concrete analysis in daily civil engineering practice is given. High-resolution 2D measurements of drill cores to determine the penetration of harmful species into concrete is presented. Furthermore, the application of a mobile LIBS system in a parking garage is shown. The system consists of a diode-pumped low-energy laser (3 mJ, 1.5 ns, 100 Hz) and a compact NIR spectrometer. A scanner allows two-dimensional element mapping. Progress towards the establishment of LIBS in a leaflet for the analysis of chlorine ingress into concrete in civil engineering is presented.
Die Alterung bestehender Brückenbauwerke fällt mit dem sich verschlechternden Zustand und zunehmenden Anforderungen an die Bausubstanz zusammen, die eine Folge von steigenden Verkehrszahlen und der Zulassung des Schwerlastverkehrs sind. Der daraus erwachsende Bedarf an Beurteilungen von bestehenden Brücken ist national und international fortwährend groß. Die Grundlage für Nachrechnungen sind die über das System verfügbaren Informationen. Sowohl die rechnerische Zuverlässigkeit eines Tragwerks als auch die Validität der Ergebnisse hängen im Wesentlichen vom Zustand, also von der Qualität und der Relevanz dieser Informationen ab. Die gezielte Messung von gütebewerteten, relevanten Informationen kann die Urteilsfähigkeit des Beurteilenden über die Zuverlässigkeit eines Tragwerks signifikant steigern. Wünschenswert ist die Erhebung derartiger Informationen ohne signifikante Eingriffe in die Bausubstanz.
Das Ziel der vorliegenden Arbeit ist die Entwicklung und Erprobung einer Vorgehensweise für die probabilistische Beurteilung von bestehenden Bauwerken mit zerstörungsfrei gemessenen Daten und einer Methodik zum objektiven Nachweis der Eignung von zerstörungsfreien Messverfahren zur Anwendung im Zuge einer Nachrechnung. Herausgestellt wird die Eignung der im Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement (GUM) publizierten Regeln zur Bewertung der Qualität der gemessenen Informationen, die später im statischen Nachweis verwendet werden sollen. Die Anforderungen an die Basisvariablen, d. h. an die Eingangsgrößen im probabilistischen Nachweis, werden aus den Vorschriften zur Zuverlässigkeitsanalyse mit dem probabilistischen Näherungsverfahren FORM, der First Order Reliability Method, abgeleitet. Darauf basiert die Entwicklung der Schnittstelle zwischen der Messtechnik und der Nachrechnung. Im Kern werden die messdatenbasierten Basisvariablen explizit als Zufallsgrößen bei der Zuverlässigkeitsanalyse berücksichtigt. Die entwickelte Vorgehensweise wird am Beispiel von zwei Spannbetonbrücken und vier Basisvariablen erprobt. In die Nachweise der Biege- und der Querkrafttragfähigkeit sowie in einen Nachweis der Dekompression fließen geometrische Messergebnisse ein, die mithilfe von Radar- und Ultraschallmessungen generiert werden. Ein wichtiger Bestandteil ist die Bildung von Modellen zur Auswertung der Messungen und zur Berechnung der Messergebnisse.
Es wird gezeigt, dass die Einbeziehung der zerstörungsfrei generierten Messergebnisse die Unsicherheit in den Berechnungsmodellen reduzieren und den Grad der Annäherung der Modelle
an die Realität steigern kann. Die Messergebnisse sind zuverlässig und vergleichbar. Umfassende Sensitivitätsanalysen geben Aufschluss über sinnvollerweise zu messende Bauwerksparameter, die einen maßgeblichen Einfluss auf die Tragwerkszuverlässigkeit ausüben. Auf diese Weise wird die Relevanz der Informationen ermittelt. Das Potential derartiger Analysen für die gezielte Planung und Beauftragung von Messungen sowie für die bedarfsgerechte Zuschärfung von initial unzureichenden Berechnungsmodellen erscheint groß. Die messdatenbasierten Modelle können darüber hinaus die Robustheit einer Tragwerksanalyse steigern. Die Berücksichtigung von Messergebnissen ist dann besonders nützlich, wenn zur Beurteilung erforderliche Informationen fehlen oder Zweifel an den verfügbaren Informationen aufgekommen sind. Im besten Fall resultiert daraus die Verlängerung von rechnerischen Restnutzungsdauern, die Steigerung der Verfügbarkeit der Infrastruktur, die Optimierung des Ressourcenverbrauchs und insgesamt eine realitätsnahe Bauwerksbewertung.
Amorphous, porous materials represent by far the largest proportion of natural and men-made materials. Their pore networks consists of a wide range of pore sizes, including mesoand macropores. Within such a pore network, material moisture plays a crucial role in almost all transport processes. In the hygroscopic range, the pores are partially saturated and liquid water is only located at the pore fringe due to physisorption. Therefore, material parameters such as porosity or median pore diameter are inadequate to predict material moisture and moisture transport. To quantify the spatial distribution of material moisture, Hillerborg’s adsorption Theory is used to predict the water layer thickness for different pore geometries. This is done for all pore sizes, including those in the lower nanometre range. Based on this approach, it is shown that the material moisture is almost completely located in mesopores, although the pore network is highly dominated by macropores. Thus, mesopores are mainly responsible for the moisture storage capacity, while macropores determine the moisture transport capacity, of an amorphous material. Finally, an electrical analogical circuit is used as a model to predict the diffusion coefficient based on the pore-size distribution, including physisorption.
Zu jedem Endlager gehört die Entwicklung eines Verschlusskonzept. Im Endlager Morsleben und an anderer Stelle werden in Abhängigkeit vom Wirtsgestein verschiedene Materialien und Bauweisen für Streckenverschlüsse entwickelt und in großem Maßstab erprobt. Hierzu gehören auch Maßnahmen der Qualitätssicherung, die Informationen über Ausführung und Zustand der Versuchsbauwerke liefern. Hierzu werden von der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) für verschiedene Forschungsvorhaben und Prüfaufträge Methoden und Geräte getestet, verbessert und vor Ort unter Tage eingesetzt Die hier beschriebenen Verfahren lassen sich auch zu Untersuchungen im Wirtsgestein anwenden.
Ultrasonic monitoring, making use of the sensitivity of the coda of repeated transmission meas-urements to changes in stress, temperature, moisture, as well as localized or distributed damage, has gotten at-tention in structural health monitoring (SHM) research recently. Analysis methods such as coda wave inter-ferometry (CWI), including its nonlinear extension, have been shown to be able to measure ultrasonic wave velocity changes with a 1∙10-5 resolution, while indicators such as cross-correlation or cross-coherence have been used to distinguish between reversible and irreversible changes. Several small- and large-scale laboratory experiments have demonstrated that stress changes in structures can be captured or damage detected in a very early stage. The use of this technique for pre-warning before failure are currently under investigation, as well as detailed research on the physical causes and the connection between ultrasonic wave properties and materi-al/structural behavior. Recently, several of large-scale laboratory and real structures have been instrumented with embedded ultrasonic transducers to gather experience and evidence on how to use this technology in re-al-world applications. Preliminary results from installations on a new bridge, an existing bridge, a tunnel, a la-boratory earthquake test as well as a historic stadium in Germany, Poland, and the United States, respectively, are presented. Environmental influences (mainly temperature) and validation by load tests are discussed.
NDE 4.0 in Civil Engineering
(2021)
Civil engineering industry is one of the most important industry sectors in the worldwide economy. It contributes significantly to the gross economic product and general employment. Even more important, it provides many of the basic needs of the society (e.g., housing, infrastructure, and protection from natural hazards). The concept of “Industry 4.0” or “Smart Production” has not yet made significant progress in the civil engineering industry. The designing, building, and operating processes are still widely dominated by the exchange of printed documents and drawings. Most objects (buildings and other constructions) are unique, and a large part of the production still requires a large amount of manual labor. As-built documentation and quality assurance are often neglected. Civil engineering is among the industry sectors with the lowest level of digitalization and the lowest gain in productivity. However, this is going to change. In the past decade, several drivers have challenged the ways clients, contractors, and authorities currently operate. These drivers include but are not limited to an increasing demand for serialization and automatization or the mandatory introduction of “Building Information Modeling” (BIM) in public procurement as well as the upcoming use of digital twins. NDE plays an increasing role in quality assurance, condition assessment, and monitoring of structures. However, with very few exceptions, applications are mostly nonstandardized and performed only at selected sites. To change this, the NDT-CE community including manufacturers, service providers, clients, and the scientific community must work consistently on open data formats, interfaces to BIM, standardization, and validated ways for a quantitative use of the results in the assessment of constructions.
To conduct a reliable, repeatable and accurate LIBS analysis, the optimization of the experimental setup is an important task. Hardware parameters of lasers and spectrometers used in the setup as well as additionally required components such as optics or process gas pipes must be carefully aligned and adjusted because factors like (i) focal conditions of the optics, (ii) alignment of the sample, (iii) process purge gas (types, flow rate) or (iv) measurement settings (integration time, accumulation of pulses) have a big impact on the signal quality. Therefore, in most cases the effect of different factors is evaluated empirically due to changing one factor at a time while keeping the overall configuration the same. In the end, the optimal configuration is selected based on the best parameters for each influencing factor. During optimization, a configuration of the experimental setup is aimed at, which allows e.g. the highest signal intensity or the lowest variation. In most cases, cross-correlation, interference and interaction among the various factors are not considered. For this reason, the possibilities of using Design of Experiment (DoE) to optimize a LIBS experiment will be shown and advantages of (i) reduction of testing plans using a feature space, (ii) identifying and considering cross-correlations and interactions, (iii) evaluating individual impacts on the measurement (e.g. contour and surface plots) as well as (iv) multivariate models for prediction of impacts will be presented.
This dataset contains raw data resulting from Impact-Echo measurements at the reference conrete block "Radarplatte", located at BAM (German Federal Institute for Materials Research and Testing). This specimen has been described in detail by Niederleithinger et al. (2021), who applied muon tomography, ultrasonic echo measurements, radar and X-ray laminography to visualize its internal structure.
The Impact-Echo method is based on the excitation of the zero-group-velocity frequency of the first symmetric Lamb mode of a plate-like structure, in order to assess its thickness. Numerous publication elaborate on Impact-Echo theory, examples are (Gibson and Popovics 2005, Schubert and Köhler 2008 , Abraham and Popovics 2010).
The measurements have been conducted using a setup that contains only commercially available components. The setup consists of an Olson CTG-2 concrete thickness gauge (Olsen Instruments, USA) for actuation and sensing and an 8-bit NI USB-5132 digital storage oscilloscope (National Instruments, USA) combined with the Echolyst software (Schweizerischer Verein für technische Inspektionen (SVTI), Switzerland) for data acquisition.
Measurements were conducted using a grid of 23x23 points with a spacing of 50 mm. At each point 8192 samples were recorded at a sampling rate of 1 MS/s.
The dataset contains the (X,Y) location in mm of the individual measurement points as well as the raw measurement data at those points.
The data is provided in the formats *.mir/*.mhdr (Echolyst), *.npy (Python) and *.mat (Matlab) and *.csv to ease the import in various post-processing tools.
The Alpine Fault zone in New Zealand marks a major transpressional plate boundary that is late in its typical earthquake cycle. Understanding the subsurface structures is crucial to understand the tectonic processes taking place. A unique seismic survey including 2D lines, a 3D array, and borehole recordings, has been performed in the Whataroa Valley and provides new insights into the Alpine Fault zone down to ∼2 km depth at the location of the Deep Fault Drilling Project (DFDP)-2 drill site. Seismic images are obtained by focusing prestack depth migration approaches. Despite the challenging conditions for seismic imaging within a sediment filled glacial valley and steeply dipping valley flanks, several structures related to the valley itself as well as the tectonic fault system are imaged. A set of several reflectors dipping 40°–56° to the southeast are identified in a ∼600 m wide zone that is interpreted to be the minimum extent of the damage zone. Different approaches image one distinct reflector dipping at ∼40°, which is interpreted to be the main Alpine Fault reflector located only ∼100 m beneath the maximum drilled depth of the DFDP-2B borehole. At shallower depths (z < 0.5 km), additional reflectors are identified as fault segments with generally steeper dips up to 56°. Additionally, a glacially over-deepened trough with nearly horizontally layered sediments and a major fault (z < 0.5 km) are identified 0.5–1 km south of the DFDP-2B borehole. Thus, a complex structural environment is seismically imaged and shows the complexity of the Alpine Fault at Whataroa.
In den vergangenen Jahren ist die Entwicklung additiver Fertigungsverfahren branchenübergreifend fortgeschritten. In der Industrie ist die Verarbeitung von Polymeren wie z. B. Polylactide (PLA) oder Acrylnitril-Butadien-Styrol-Copolymer (ABS) am weitesten verbreitet, aber auch die Verarbeitung von Metallen nimmt zu. Umfragen des Fraunhofer-Institut für Produktionstechnik und Automatisierung IPA aus dem Jahr 2016 verdeutlichen, wie hoch das Potential additiver Fertigungsverfahren eingeschätzt wird und auch die Anzahl der jährlich angemeldeten Patente im Bereich des 3D-Drucks hat sich in den letzten Jahren vervielfacht.
The development of prevention methods and the detection of moisture related damages in buildings and transport infrastructure at an early stage are current issues
in the field of non-destructive testing in civil engineering. Especially the subject of partial saturation requires further research since it is more likely to occur than full saturation of the material. In fact, partial saturation in porous media is even more complicated because both fully and partly saturated pores (i.e. pores in which the surfaces are covered with thin water layers) are present.
As the non-destructive method nuclear magnetic resonance
(NMR) enables the measurement and quantification of relative low moisture contents, it is suitable for the investigation of partly saturated porous building materials. Nevertheless, the differentiation between partly and fully saturated pores is still a challenge. Therefore, in this study, we investigate two sandstones types (Bozanov and Schönbrunner sandstone) at various defined saturation states by using NMR. Furthermore, we measure the relative humidities within the samples and compute the water layer thicknesses (WLT) along the pore walls of all pore sizes to calculate the corresponding degree of pore saturation. To finally assign the NMR signals to pore sizes and to differentiate between partly and fully saturated pores, the water content distribution obtained from the WLT calculation
is used for calibration of the relaxation-time distribution.
The development of prevention methods and the detection of moisture related damages in buildings and transport infrastructure at an early stage are current issues in the field of non-destructive testing in civil engineering.
Especially the subject of partial saturation requires further research since it is more likely to occur than full saturation of the material. In fact, partial saturation in porous media is even more complicated because both fully and partly saturated pores (i.e. pores in which the surfaces are covered with thin water layers) are present.
As the non-destructive method nuclear magnetic resonance (NMR) enables the measurement and quantification of relative low moisture contents, it is suitable for the investigation of partly saturated porous building materials. Nevertheless, the differentiation between partly and fully saturated pores is still a challenge. Therefore, in this study, we investigate two sandstones types (Bozanov and Schönbrunner sandstone) at various defined saturation states by using NMR. Furthermore, we measure the relative humidities within the samples and compute the water layer thicknesses (WLT) along the pore walls of all pore sizes to calculate the corresponding degree of pore saturation. To finally assign the NMR signals to pore sizes and to differentiate between partly and fully saturated pores, the water content distribution obtained from the WLT calculation is used for calibration of the relaxation-time distribution. In this extended abstract, selected results only for Schönbrunner sandstone are presented.
Die zerstörungsfreie Ermittlung der Materialfeuchte in Baustoffen ist für das Bauwesen von großer Bedeutung, denn ein erhöhter Feuchteeintrag kann zu Schimmelbildung, Alkali-Kieselsäure-Reaktionen, Korrosion etc. führen und somit ein hohes Schadenspotential mit sich bringen. Auch wenn zur qualitativen Lokalisierung möglicher Schad- und Risikostellen bereits zahlreiche zerstörungsfreie Verfahren in der Praxis Anwendung finden, besteht ein Mangel an quantitativen Verfahren, die auch bei niedrigen Feuchtegehalten sensitiv sind. Eine Methode zur zerstörungsfreien und quantitativen Bestimmung des Feuchtegehaltes und der effektiven Porosität ist die 1H-Kernspinresonzanzmethode (NMR). Da NMR sensitiv für die molekulare Beweglichkeit von Wasserstoffprotonen ist, lassen sich Informationen über die Bindungsform und -stärke sowie der Umgebung (Porengröße und Mineralzusammensetzung) der Wasserstoffprotonen gewinnen. Obwohl es bereits seit über 20 Jahren mobile NMR-Messeräte gibt, wird NMR heutzutage immer noch weitestgehend im Labor eingesetzt. Dies liegt daran, dass sie aufgrund der verwendeten Permanentmagnete schwer sind und nur äußerst geringe Eindringtiefen ermöglichen. In einer derzeit laufenden Forschungsarbeit wird deshalb ein speziell für Bohrkerne entworfener NMR-Tomograph eingesetzt. Mit seiner minimalen Echozeit von 50 µs lässt sich (abhängig von der Oberflächenrelaxivität) Wasser bis in nanometergroßen Poren erfassen. Um die Sensitivität von NMR bei Teilsättigung zu untersuchen, wurden verschiedene Sandsteinproben in Exsikkatoren mit relativen Luftfeuchten im Bereich von 33 % bis 96 % gelagert. Als Referenzen dienen zum einen das NMR-Signal bei Vollsättigung und zum anderen die Porengrößenverteilung aus Quecksilberporosimetriemessungen (MIP). Um die NMR-Sensitivität zu bewerten, wird die Korrelation der NMR-Amplitude mit den gravimetrisch ermittelten Feuchtegehalten sowie ein Vergleich der Porosität aus NMR und MIP betrachtet. Zu beachten ist in diesem Zusammenhang, dass sowohl die Reduzierung der Wasserfilmdicke als auch die Verkleinerung von Porengrößen zu einer ähnlichen Verkürzung der T2-Relaxationszeit führt. Als Ausblick wird ein Lösungsansatz vorgestellt, bei dem die NMR-Signale mit der Wasserfilmdickenberechnung basierend auf der relativen Luftfeuchte im Material korreliert werden.
"Die effiziente Verwendung von Messergebnissen bei der Nachrechnung und von Ergebnissen aus zerstörungsfreien Prüfungen im Speziellen setzt voraus, dass die Relevanz der messbaren Informationen beziffert, die Qualität der gemessenen Information berechnet und die Anforderungen an die Genauigkeit der Inspektionen aus der statischen Berechnung abgeleitet werden können. Der Vergleich der Anforderungen an eine zu messende Information mit der Qualität der gemessenen Information wird in diesem Aufsatz als Validierung eines Messverfahrens aufgefasst. Es wird gezeigt, wie zerstörungsfreie Prüfverfahren für die Nachrechnung validiert werden können. Die Methodik wird anhand einer mit der Ultraschallecho- und Impulsradarmethode untersuchten Spannbetonbrücke demonstriert."
CASPAR - FKZ: 19F2178A "Plattform für die beweissichere und rückführbare Datennutzung im Bauwesen"
(2021)
Bestandsunterlagen von älteren Bauwerken sind oft nicht in ausreichendem Umfang verfügbar. Soll jedoch der Zustand von z.B. Gebäude oder Brücken bewertet werden, stellen Bestandsunterlagen die Grundlage dafür dar. Ansonsten muss die Bauweise des Bauwerkes kostenintensiv nachvollzogen und mit nachträglichen Untersuchungsverfahren bewertet werden.
Heute spielt die digitale Planung im Bauwesen eine immer größere Rolle und Bauvorhaben werden in sogenannten BIM Modellen (Building Information Modelling) geplant. Diese Daten müssen langfristig und manipulationssicher gespeichert werden.
In diesem Projekt erarbeiten wir die technologischen Grundlagen, um Daten effizient und sicher zu speichern. Wir erarbeiten eine digitale Schnittstelle, um Daten aus unterschiedlichsten Quellen sicher zusammenzuführen und Informationen semantisch zu verknüpfen. Um den Nachweis für die Nutzbarkeit unserer Technologie zu erbringen, entwickeln wir im Rahmen des beantragten Projekts eine prototypische objektbezogene Datenablage in Form eines Demonstrators, in die digitale Informationen einer realen Brücke überführt werden.
The effective gas diffusion coefficient describes the process of gas diffusion in porous materials. Several materials have a significant number of micropores in the lower nanometre range leading to a reduction of gas diffusion (Knudsen effect). In the case of partial pore saturation during adsorption, the available pore space is further reduced, as is the gas diffusion. In this study, the influence of partially saturated pores on the Knudsen effect and on the gas diffusion is quantified. Three different pore geometries are investigated (slit, cylindrical and spherical pores) and three different types of pore size distribution, including a broad equal distribution, three narrow normal distributions and two measured distributions of concrete.
Besides the intensive computation of the exact pore saturation, a simplified model with low computational requirements is suggested. This study shows that the influence of the water layer thickness on the effective diffusion becomes significant for pore radii below 50 nm and the assumed pore geometry is important. At the end, the overall effect is quantified for an amorphous material with most pore
radii below 30 nm. At a moisture level of 50% relative humidity, the effective diffusion is reduced by 35% due to partial saturation.
The Alpine Fault at the West Coast of the South Island (New Zealand) is a major plate boundary that is expected to rupture in the next 50 years, likely as a magnitude 8 earthquake. The Deep Fault Drilling Project (DFDP) aimed to deliver insight into the geological structure of this fault zone and its evolution by drilling and sampling the Alpine Fault at depth. Here we present results from a seismic survey around the DFDP-2 drill site in the Whataroa Valley where the drillhole almost reached the fault plane. This unique 3D seismic survey includes several 2D lines and a 3D array at the surface as well as borehole recordings. Within the borehole, the unique option to compare two measurement systems is used: conventional three-component borehole geophones and a fibre optic cable (heterodyne Distributed Vibration Sensing system (hDVS)). Both systems show coherent signals but only the hDVS system allowed a recording along the complete length of the borehole.
Despite the challenging conditions for seismic imaging within a glacial valley filled with sediments and steeply dipping valley flanks, several structures related to the valley itself as well as the tectonic fault system are imaged. The pre-processing of the seismic data also includes wavefield separation for the zero-offset borehole data. Seismic images are obtained by prestack depth migration approaches.
Within the glacial valley, particularly steep valley flanks are imaged directly and correlate well with results from the P-wave velocity model obtained by first arrival travel-time tomography. Additionally, a glacially over-deepened trough with nearly horizontally layered sediments is identified about 0.5 km south of the DFDP-2B borehole.
With regard to the expected Alpine fault zone, a set of several reflectors dipping 40-56° to the southeast are identified in a ~600 m wide zone between depths of 0.2 and 1.2 km that is interpreted to be the minimum extent of the damage zone. Different approaches image one distinct reflector dipping at 40°, which is interpreted to be the main Alpine Fault reflector. This reflector is only ~100 m ahead from the lower end of the borehole. At shallower depths (z<0.5 km), additional reflectors are identified as fault segments and generally have steeper dips up to 56°. About 1 km south of the drill site, a major fault is identified at a depth of 0.1-0.5 km that might be caused by the regional tectonics interacting with local valley structures. A good correlation is observed among the separate seismic data sets and with geological results such as the borehole stratigraphy and the expected surface trace of the fault.
In conclusion, several structural details of the fault zone and its environment are seismically imaged and show the complexity of the Alpine Fault at the Whataroa Valley. Thus, a detailed seismic characterization clarifies the subsurface structures, which is crucial to understand the transpressive fault’s tectonic processes.
A joint project of partners from industry and research institutions for the research and construction of an analysis system for an automated, sensor-supported sorting of construction and demolition waste will be presented. This is intended to supplement or replace the previously practiced manual sorting, which harbors many risks and dangers for the staff and only enables obvious, visually detectable differences for separation. The method of laser-induced breakdown spectroscopy is to be used in combination with hyperspectral sensors. Due to the jointly processed information (data fusion), this should lead to a significant improvement in the separation of types. In addition to the sorting of different materials (concrete, main masonry building materials, organic components, glass, etc.), impurities such as SO3-containing building materials (gypsum, aerated concrete, etc.) could also be detected and separated.
The subsequent recycling and sales opportunities are examined, such as the use of recycled aggregates in concrete, the recycling of building materials containing sulphate as a gypsum substitute for the cement industry or the agglomeration of synthetic lightweight aggregates for lightweight concrete or as a substrate for green roofs. At the same time, it is investigated whether soluble components (sulfates, heavy metals, etc.) can be detected by LIBS without a wet chemical analysis and what impact the recycling materials have on the environment.
The entire value chain is examined using the example of the Berlin location in order to minimize economic / technological barriers and obstacles on a cluster level and to sustainably increase the recovery and recycling rates.
The purpose of this contribution is to introduce and to apply the developed approach of incorporating non-destructively gathered measurement results (instead of deterministic information and assumptions) into a reassessment model of a typical prestressed concrete road bridge and to outline the advantages. An essential part is the quality evaluation of the non-destructively measured information, that deals primarily with two questions. Could the object or parameter to be obtained reliably detected and if, how accurate are the inspection results achieved? Therefore, the importance of the combination of a probability of detection (POD)-approach and measurement uncertainty calculations is emphasized. With regard to the introduced case-study it is shown, for which structure parameters an assumption deviating from the actual (and measurable) situation has a particularly strong (and possibly arithmetically unfavorable) influence on the structural reliability. Measurements on such parameters are particularly beneficial for a reliable and robust reassessment. In conclusion, the individual reassessment results without consideration and with consideration of evaluated non-destructive inspection results are compared.
Subfloors are layered structures, consisting largely of porous building materials, such as screed. They are often suffering damage from tap water leakage, which is a typical problem in buildings, and which has largely contributed to repair costs of almost 3 billion Euro in 2018 alone in Germany. In this context, especially mould plays a role, which is both destroying the structure and posing severe health risks.
To determine the damaging effects of moisture, it is necessary to know the respective processes occurring in building materials, especially to quantify the amount of moisture and its progress in the material. In this study, humidity sensors are used to derive the material moisture experimentally.
Capacitive sensors recording the relative humidity are embedded into the screed and in the insulation materials such as expanded polystyrene, extruded polystyrene, perlite and glass wool. For the application in screed, the sensors need to be shielded against the aggressive alkaline materials. To ensure an appropriate exchange with the environment, a permeable membrane is requested. Different membrane materials have been investigated regarding their robustness and their permeability.
In the first experimental setup, two humidity sensor arrays with seven individual sensors are embedded in homogeneous screed samples. The measured corresponding relative humidity of the screed is converted to the material moisture based on the approach of Hillerborg. In a second experimental setup, a layered structure of a complete subfloor is built in a box of 0.8 m times 0.8 m. The humidity sensors are positioned in the different insulation materials of various thicknesses. By adding water, leakage damage is simulated and its progress and effect is investigated experimentally.
The investigations point at the question if the observed moisture is able to generate damage such as mould. The moisture and corresponding humidity values are discussed. It will be shown that this low-cost hygrometric approach can be used easily for moisture monitoring of screed and insulation materials as well
Air-coupled ultrasonic testing is widely used in the industry for the non-destructive testing of compound materials. It provides a fast and efficient way to inspect large concrete civil infrastructures for damage that might lead to catastrophic failure. Due to the large penetration depths required for concrete structures, the use of traditional piezoelectric transducer requires high power electric systems. In this study, a novel fluidic transducer based on a bistable fluidic amplifier is investigated. Previous experiments have shown that the switching action of the device produces a high-power broadband ultrasonic signal. This study will provide further insight into the switching behaviour of the fluidic switch. Therefore, parametric CFD simulations based on compressible supersonic RANS simulations were performed, varying the inlet pressure and velocity profiles for the control flow. Switching times are analyzed with different methods, and it was found that These are mostly independent of the slope of the velocity profile at the control port. Furthermore, it was found that an inversely proportional relationship exists between flow velocity in the throat and the switching time. The results agree with the theoretical background established by experimental studies that can be found in the literature.
Since nuclear magnetic resonance with focus on 1H protons is highly sensitive to pore filling fluids, it is nowadays often applied for the investigation of porous media. Mainly in materials research and especially in the field of non-destructive testing in civil engineering it is increasingly used. Scientific questions about and based on NMR meanwhile cover a broad spectrum. To give an overview, we have reviewed various studies dealing with the determination of moisture contents and parameters such as the pore-size distribution, surface relaxivity, porosity, etc. In some papers, the monitoring of moisture transport in connection with degradation processes or admixtures was the main objective. In other papers, NMR was used for pore space analysis or even applied on site to assess the state of conservation of cultural heritage. Building materials that have been investigated in the presented studies are for example cement, concrete, woods, sandstones etc. In this paper, short descriptions and the significant results of the reviewed articles are summarized and their measurement problems and discrepancies are pointed out. A special feature of this review article is the concise tabular compilation of determined 𝑇1 and 𝑇2 relaxation times, as well as of surface relaxivity values for various materials and components. Finally, relevant aspects are summed up and conclusions about the increasing potential of NMR relaxometry for investigations of porous building materials are drawn, followed by an outlook about future applications and the need for technical development.
Motivation:
• Air-coupled ultrasound (AC-US) enables faster measurements in non-destructive testing for civil engineering
• Current state of the art: piezo and capacitive transducers are mostly used for AC US
• Currently >99.9% sound intensity loss due to impedance mismatches
Innovation:
• Fluidic transducers generate US (30-60 kHz) by rapid switching of a supersonic jet
• Fluidic transducers rely on external components such as solenoid valves and tubing
--> How do repetition time and tube length influence the signal?
Muon Tomography of the Interior of a Reinforced Concrete Block: First Experimental Proof of Concept
(2021)
Quality assurance and condition assessment of concrete structures is an important topic world-wide due to the aging infrastructure and increasing traffic demands. Common topics include, but are not limited to, localisation of rebar or tendon ducts, geometrical irregularities, cracks, voids, honeycombing or other flaws. Non-destructive techniques such as ultrasound or radar have found regular, successful practical application but sometimes suffer from limited resolution and accuracy, imaging artefacts or restrictions in detecting certain features. Until the 1980s X-ray transmission was used in case of special demands and showed a much better resolution than other NDT techniques. However, due to safety concerns and cost issues, this method is almost never used anymore. Muon tomography has received much attention recently. Novel detectors for cosmic muons and tomographic imaging algorithms have opened up new fields of application, such as the investigation of freight containers. Muon imaging also has the potential to fill some of the gaps currently existing in concrete NDT. As a first step towards practical use and as a proof of concept we used an existing system to image the interior of a reference reinforced 600 kg concrete block. Even with a yet not optimized setup for this kind of investigation, the muon imaging results are at least of similar quality compared to ultrasonic and radar imaging, potentially even better. The data acquisition takes more time and signals contain more noise, but the images allowed to detect the same important features that are visible in conventional high energy X-ray tomography. In our experiment, we have shown that muon imaging has potential for concrete inspection. The next steps include the development of mobile detectors and optimising acquisition and imaging parameters.
Der Weg zur digitalen Brücke ist eingeschlagen. Im Bereich der Planung, Bauüberwachung und -ausführung wird aktuell das Building Information Modelling (BIM) eingeführt. Ist eine Brücke in der Baulast von Bund und Ländern errichtet, wird ihr Zustand im Zuge von wiederkehrenden Bauwerksprüfungen nach DIN 1076 lückenlos überwacht. Abgespeichert werden die Informationen der Überwachung in einer Datenbank (ASB-ING Teilsystem Bauwerksdaten). Aus dieser Datenbank können anschließend relevante Informationen in ein objektspezifisches Bauwerksbuch überführt werden. In dieser Datenbank werden im Vorfeld definierte Daten abgespeichert. Reine Messdaten oder aber auch die verwendeten ingenieurtechnisch-physikalischen Modelle verbleiben in der Regel bei den beauftragen Dienstleistern. Zusammengefasst existieren verschiedene parallele Insellösungen der Informationsablage. Gegenstand verschiedener Forschungsanstrengungen ist es nun Lösungen zu finden, die einen ganzheitlichen Ansatz für den Informationsfluss von der Errichtung über den Betrieb bis hin zum Abbruch eines Bauwerkes sicherstellen. Im Rahmen einer prototypischen Entwicklung wird auf Grundlage, des für die Industrie 4.0 entwickelten open source Software Framework Eclipse BaSyx, ein möglicher Lösungsansatz – die Verwaltungsschale BBox (Bridge Box) - präsentiert. Dieser Lösungsansatz stellt das physikalisch-ingenieurtechnische Modell zur Zustandsbewertung der Brücke gedanklich in den Mittelpunkt. Unter der Voraussetzung einer durchgängigen Digitalisierung der gesamten Prozessschritte innerhalb der Lebensdauer der Brücke, kann jeder Planungs- und Fertigungsschritt, die Instandhaltung einschließlich des Rückbaus erfasst werden. Das Besondere hierbei ist, dass auch die Grundlagen der Bewertung, wie Messdaten, mit abgespeichert werden. Die Modellstruktur der Verwaltungsschale erlaubt hierbei eine bedarfsgerechte Granularität hinsichtlich der Messdaten auf allen virtuellen Ebenen, um das physikalisch-ingenieurtechnisch Modell mit Daten zu versorgen. Die gewählte Form der Datenablage bildet den Grundstein für zukünftige KI-Auswertungen z.B. mit den Methoden des Maschinellen Lernens (ML). Der Zugriff auf die dafür jeweils benötigten Daten wird durch die Ablage der Daten einschließlich Metadaten und den Einsatz einer Standard S3 Schnittstelle stark vereinfacht. Der Beitrag stellt die Entwicklung und die Systemarchitektur der BBox am Beispiel von 2 Projekten dar.
Ultrasonic monitoring, making use of the sensitivity of the coda of repeated transmission meas-urements to changes in stress, temperature, moisture, as well as localized or distributed damage, has gotten at-tention in structural health monitoring (SHM) research recently. Analysis methods such as coda wave inter-ferometry (CWI), including its nonlinear extension, have been shown to be able to measure ultrasonic wave velocity changes with a 1∙10-5 resolution, while indicators such as cross-correlation or cross-coherence have been used to distinguish between reversible and irreversible changes. Several small- and large-scale laboratory experiments have demonstrated that stress changes in structures can be captured or damage detected in a very early stage. The use of this technique for pre-warning before failure are currently under investigation, as well as detailed research on the physical causes and the connection between ultrasonic wave properties and materi-al/structural behavior. Recently, several of large-scale laboratory and real structures have been instrumented with embedded ultrasonic transducers to gather experience and evidence on how to use this technology in re-al-world applications. Preliminary results from installations on a new bridge, an existing bridge, a tunnel, a la-boratory earthquake test as well as a historic stadium in Germany, Poland, and the United States, respectively, are presented. Environmental influences (mainly temperature) and validation by load tests are discussed.
Durch die Einbeziehung von gemessenen Daten bei der Bewertung von bestehenden Bauwerken können Unsicherheiten bei der Beurteilung des Tragverhaltens reduziert werden, ohne das normative Zuverlässigkeitsniveau einzuschränken. Informationen sind die wesentliche Grundlage für die Analyse der Zuverlässigkeit von Tragwerken. Umso wichtiger ist die Kenntnis über die Präzision und die Richtigkeit der verwendeten Informationen. Aus messtechnischer Sicht kann ein Messwert, dem keine Messunsicherheit beigeordnet wurde, als wertlos erachtet werden. Liegt ein vollständig dokumentiertes Messergebnis vor, so ist die Qualität der gemessenen Information bekannt und deren Vergleichbarkeit gewährleistet. In diesem Beitrag wird am Beispiel einer Spannbetonbrücke und zweier Grenzzustände gezeigt, wie Messergebnisse aus der zerstörungsfreien Prüfung in probabilistische Nachweise von Bestandsbauwerken einfließen können und welche Auswirkungen die Implementierung von gemessenen Daten bei der Bewertung von Bestandsbauwerken haben kann.
Experimental analysis of the acoustic field of an ultrasonic pulse induced by a fluidic switch
(2021)
Ultrasonic inspection is a common tool for non-destructive testing in civil engineering (NDT-CE). Currently, transducers are coupled directly to the specimen surface, which makes the inspection time-consuming. Air-coupled ultrasound (ACU) transducers are more time-efficient but need a high pressure amplitude as the impedance mismatch between the air and the concrete is high and large penetration depth is needed for the inspection. Current approaches aim at eliminating the impedance mismatch between the transducer and the air to gain amplitude; however, they hardly fulfill the NDT-CE requirements. In this study, an alternative approach for ultrasound generation is presented: the signal is generated by a fluidic switch that rapidly injects a mass flow into the ambience. The acoustic field, the flow field, and their interaction are investigated. It is shown that the signal has dominant frequencies in the range of 35–60 kHz, and the amplitude is comparable to that of a commercial ACU transducer.
Reinforced concrete bridges are iconic parts of modern infrastructure. They are designed for a minimum service life of 100 years. However, environmental factors and/or inappropriate use might cause overload and accelerate the deterioration of bridges. In extreme cases, bridges could collapse when necessary maintenance lacks. Thus, the permanent monitoring for structure health assessment has been proposed, which is the aim of structural health monitoring (SHM). Studies in laboratories have shown that ultrasonic (US) coda wave interferometry (CWI) using diffuse waves has high sensitivity and reliability to detect subtle changes in concrete structures. The creation of micro-cracks might be recognized at an early stage. Moreover, large-volume structures can be monitored with a relatively small number of US transducers. However, it is still a challenge to implement the CWI method in real SHM practical applications in an outdoor environment because of the complex external factors, such as various noise sources that interfere with the recorded signals. In this paper, monitoring data from a 36-m long bridge girder in Gliwice, Poland, instrumented with embedded US transducers, thermistors, and vibrating wire strain gauges, is presented. Noise estimation and reductionmethods are discussed, and the influence of traffic, as well as temperature variation, are studied. As a result, the relative velocity variation of US waves following the temperature change with a very high precision of 10−4% is shown, and a good bridge health condition is inferred. The influence of lightweight real traffic is negligible. The study verified the feasibility of the implementation of the CWI method on real bridge structures.
News from NDT@BAM
(2021)
The presentation summarizes some recent research at BAM in the field of NDT in civil engineering. the firste xample decribes lab experiments on the degardation of concrete during tunnel fires. Radar measuremenst were sucessfully used to detect interior damage. The second example decribes the first ever experiment on using muon imaging to evaluate concrete constructions.
Making optimal decisions about the reliability of existing structures requires that the information used in assessment adequately represents the properties and the condition of the structures. The knowledge gap regarding a structure to be assessed can be successively filled by individually purposeful observations on site. This paper gives an overview of an approach for utilizing nondestructively gathered measurement results in reliability assessment of existing structures. An essential part of measurement-based stochastic modeling of basic variables is the calculation of measurement uncertainties, which serves to establish confidence in measurement, to ensure the comparability of unambiguously expressed measurement results, and to quantify the quality of the measured information. Regarding the current discourse on how to treat information collected on-site in the context of assessment, the authors recommend that measurement uncertainty becomes an uncertainty component mandatorily to be represented in measurement-based stochastic models. The main steps of the proposed concept are presented, and the advantages of its application are emphasized by means of a prestressed concrete bridge as case study. The bridge is assessed regarding the serviceability limit state decompression using ultrasonic and radar data measured at the structure.