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Der Fachbereich 8.2 der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) hat eine innovative Methode zur zerstörungsfreien Ultraschallprüfung erarbeitet und den technischen Aufbau in Form eines neuen Gerätes entwickelt. Mit Hilfe des Produktdesigns soll die Etablierung auf dem Markt sichergestellt werden.
Die Arbeit erläutert detailliert die Bereiche, die für die Gestaltung des Handscangerätes von Bedeutung sind. Sie befasst sich mit der Installation und Handhabung des Systems am Einsatzort und beleuchtet wichtige technische Details. Der nicht verkleidete technische Aufbau der zwei neu entwickelten Geräte dient als Grundlage für die Erarbeitung eines Gehäusekonzepts. Neben dem Gehäusedesign wird eine Überarbeitung des gesamten Aufbaus durchgeführt, um die Benutzerfreundlichkeit in verschiedenen Punkten zu verbessern. Zukünftige Designentscheidungen werden auf Grundlage von praxisnahen Beobachtungen und der notwendigen Anordnung der technischen Komponenten getroffen. Ziel der Auseinandersetzung ist es, ein funktionelles und ästhetisch ansprechendes Design zu entwickeln. Am Ende sollen unter Beachtung aller Vorgaben die Ergebnisse dieser Arbeit zu einem ergonomischen Gerät führen.
Die Problemstellung besteht daraus, den komplexen technischen Vorgaben und Ansprüchen des Projektpartners und Innovationsgebers gerecht zu werden und gleichzeitig ein gutes Designziel zu erreichen. Das Design soll die Funktionalität und Handhabung des Gerätes verbessern und dient als Hilfsmittel, um den komplexen Aufbau zu vereinfachen. Die Benutzerfreundlichkeit soll an allen nötigen Stellen verbessert werden und ein ästhetisch zusammenstehender Gesamteindruck soll entstehen, ohne die Funktionalität negativ zu beeinflussen.
Im deutschen Eisenbahnnetz sind ca. 80 Millionen Spannbetonschwellen verbaut. Analog zu anderen Bauwerken werden Wpannbetonschwellen regelmäßig visuell inspiziert. Die Rissbildung ist bei diesen Inspektionen ein Kriterium für die Schädigung einer Spannbetonschwelle. Durch Rissbildung kann es passieren, dass Betonschwellen ihre Nutzungsdauer nicht erreichen.
In den letzten Jahren werden vermehrt trocken ankoppelbare Ultraschall-Punktkontaktprüfköpfe erfolgreich für Prüfaufgaben im Bauwesen angewendet. Oft werden mehrere Punktkontaktprüfköpfe in einem Gehäuse zu einer Strahlergruppe kombiniert, um die Schallbündelung zu verbessern oder um einzelne Prüfköpfe nacheinander als Sender und Empfänger zu betreiben und die Messsignale nach der Messung einer SAFT-Auswertung zuzuführen. Alternativ können die einzelnen Prüfköpfe einer solchen Gruppe laufzeitgesteuert angeregt und dadurch schon während der Messung das Prüfkopfschallfeld beeinflusst werden. Für diese Technik sind die Bezeichnungen laufzeitgesteuerte Ultraschall-Gruppenstrahler oder 'Phased Array' gebräuchlich. Mit den präsentierten Untersuchungen sollen die Anwendungsmöglichkeiten der Gruppenstrahlertechnik im Niederfrequenzbereich durch den Einsatz von Punktkontaktprüfköpfen verbessert werden. Dazu werden verschiedene Wellenarten eingesetzt und der Einfluss der Anordnung der Strahlerelemente im Array untersucht.
Besonders beim Bauen im Bestand und der Bauwerkserhaltung werden zur Bestimmung des Tragvermögens von historischen, oft unter Denkmalschutz stehenden, natursteinernen Bauteilen Materialkennwerte benötigt. Die üblichen Verfahren mittels Probeentnahme am Objekt und Bestimmung der Kennwerte im Labor bedeuten bei Denkmälern einen massiven Eingriff und sollten vermieden werden. Vermehrt wird daher der Einsatz von zerstörungsfreien Untersuchungsmethoden erforscht und angewendet. Eine dieser Methoden stellt die Ultraschallprüfung dar.
Die drei Beispiele zerstörungsfreier Prüfungen an Spannbetonbrücken zeigen unterschiedliche Problemstellungen und deren Lösung mit unterschiedlichen Ansätzen.
Allen drei Beispielen gemeinsam ist die Verwendung kommerzieller Geräte. Diese werden von verschiedenen Anbietern bereitgestellt. Eine weitere Gemeinsamkeit ist, dass die Grundgeräte durch zusätzliche Maßnahmen ergänzt. Erst dann ist der gewünschte Untersuchungserfolg sicher gestellt.
Im ersten Beispiel wurde die vom Auftraggeber geforderte Präzision dadurch erreicht, dass systematische Voruntersuchungen stattfanden. Die Übertragung der Lokalisierung direkt auf die Betonoberfläche stellte sicher, dass keinen Informationsverluste an die nachfolgenden Aufgaben auftraten.
Das zweite Beispiel zeigt den Nutzen von Automatisierung und Kombination von Verfahren. Damit können dem Auftraggeber die notwendigen Angaben über Einbauteile mit großer Detaitreue und leicht verständlicher Visualisierung aufbereitet werden. Der abschließende Bericht zeigt, wie vorhandene Auswertungen sinnvoll durch noch in der Forschung befindliche Ansätze bereichert werden.
Insgesamt ist die zerstörungsfreie Prüfung in der Lage, an Brücken preisrelevante Fragestellungen zu lösen. Voraussetzung hierfür ist eine sorgfältig geplante Vorgehensweise und ein sicheres Verständnis der Grundlage der eingesetzten Geräte und Auswertungsschritte.
Ultraschallmessverfahren werden seit Langem erfolgreich für Prüfaufgaben, wie zum Beispiel die Ermittlung von Bauteilgeometrien, im Bauwesen eingesetzt. Um die Schallbündelung der Prüfköpfe zu verbessern, werden oft mehrere Prüfköpfe in einem Array angeordnet. Für die Entwicklung der Prüfkopfarrays ist es zweckmäßig, mithilfe von Modellierungen den Einfluss der Arraygröße, der Anordnung der Einzelprüfköpfe im Array und der Prüffrequenz auf das Schallfeld zu untersuchen. Dazu werden in der Praxis erfolgreich Modellierungen auf der Basis der Elastodynamischen Finiten Integrationstechnik (EFIT) und der Punktquellensynthese angewendet. Beim Aufbau der Arrays kommen zurzeit immer häufiger Transversal-Punktkontaktprüfköpfe zur Anwendung. Daher wird bei der Beschreibung der Schallfeldberechnung insbesondere auf die der Transversalwellenprüfköpfe eingegangen und mithilfe von Modellierungen und Experimenten gezeigt, wie sich die Prüfkopfpositionierung auf die Richtcharakteristik auswirkt.
Beim Einsatz von Ultraschallecho-Methoden in der zerstörungsfreien Prüfung im Bauwesen stellt die Untersuchung von Spannbetonkonstruktionen eine der anspruchsvollsten Aufgaben für Wissenschaft und Technik dar. Das inhomogene Gefüge aus Beton, schlaffer Bewehrung und – aus Hüllrohr, Spannlitzen und Verpressmörtel bestehenden – Spanngliedern erfordert eine Optimierung von Messtechnik und Auswertesoftware, um verwertbare Aussagen zum Verpresszustand der Hüllrohre zu erhalten. Der vorliegende Beitrag beschreibt die Grundlagen der bildgebenden Darstellung von US-Echo-Daten, die Untersuchung und Datenauswertung an Probekörpern sowie ein Fallbeispiel aus der Praxis. Dabei erweist sich insbesondere die Phasenauswertung zur qualitativen Unterscheidung von Reflektoren als nützlich. Das Prinzip wird erläutert, und es werden Teile eines interaktiven, auf der SAFT-Methode basierenden Softwarepakets vorgestellt. Mit dieser Software können die großflächig gewonnenen Ultraschalldaten auf herkömmlichen PCs oder mobilen Computern zu zwei- und dreidimensionalen Rekonstruktionen berechnet, analysiert und visualisiert werden. Ausgewertet wurden Daten, die mit automatisierten Messsystemen an kleinformatigen Laborprobekörpern und großen Testwänden gewonnen wurden. Im Rahmen der praktischen Anwendung konnten unter Verwendung der vorgestellten Verfahren an einem Spannglied die Lage eines Hüllrohrverstopfers lokalisiert und die Ausdehnung der Blockadestelle eingegrenzt werden.----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Investigation of prestressed concrete using the imaging ultrasonic echo method Application of phase evaluation for the distinction of reflectors: The application of ultrasound methods for the non-destructive assessment of pre-stressed concrete members is one of the biggest challenges in the field of non-destructive testing in civil engineering. The inhomogeneous composition of concrete, reinforcement and tendons, which itself consist of ducts, steel wires and grouting material, requires an optimisation of measuring technique and analysis software to gain reliable information about the grouting condition of the ducts. This article describes the fundamentals of the visualisation of ultrasound echo data, the investigation and data analysis at specimen and a case study. Here especially the phase evaluation proves to be very useful for the distinction of reflectors. The basic principle is explained and parts of an interactive software module, which is based on the SAFT method, is presented. With this software it is possible to calculate, analyse and visualise 2D and 3D reconstructions of large ultrasound data sets with conventional PCs or mobile computers. Data has been analysed, which were recorded with automatic measurement systems at small scale laboratory specimens and a large scale testing wall. In the frame of the practical application it was possible to localise the position and extent of a blockade within a duct.
In Zeiten knapper Kassen wird überall nach Wegen gesucht Kosten einzusparen. Im Bauwesen geht es dabei um Kosteneinsparungen ohne Reduktion der Sicherheit und Dauerhaftigkeit des Bauwerks. Beim Bauen im Bestand können mit einer zerstörungsfreien Prüfung von Bauwerken die Weiternutzung oder die erforderlichen Umbauten optimiert werden und so Kosten eingespart werden.
Das Ziel des Forschungsvorhabens „Zerstörungsfreie Ortung von Gefügestörungen in Betonbodenplatten“ bestand in der Entwicklung eines Untersuchungskonzepts zur sicheren Ortung und Erfassung von Gefügestörungen in einseitig zugänglichen Betonplatten durch den kombinierten Einsatz verschiedener zerstörungsfreier Prüfverfahren. Hierfür wurde die Leistungsfähigkeit der folgenden Messverfahren hinsichtlich ihrer Aussageschärfe, Anwendungsgrenzen und Messgeschwindigkeit bei praxisnahen Randbedingungen untersucht:
- Impakt-Echo, manuelle Impaktauslösung
- Impakt-Echo, automatisierte Impaktauslösung
- Ultraschall-Echo mit multistatischem Array
- Impuls-Thermografie
- Radar
Als Versuchskörper dienten sechs liegend hergestellte Betonplatten der Abmessungen 200/200/30 cm aus zwei verschiedenen Betongüten und mit unterschiedlichem Bewehrungsgehalt (Bewehrungsgrade 0 %, 0 ,9 %, 2 ,6 %), von denen vier Platten auf trockenem und zwei Platten auf ständig nass gehaltenem Sand gelagert waren. Alle sechs Platten enthielten jeweils dieselben künstlich eingebrachten Fehlstellen: vier quadratische Kiesnester in unterschiedlicher Tiefe mit Kantenlängen zwischen 10 und 15 cm sowie drei oberflächennahe Hohlstellen (Ø 4/6/8 cm). Zur Erfassung eines möglichen Einflusses des Betonalters wurden die Messungen 4 Tage, 28 Tage sowie 180 Tage nach Herstellung der Platten durchgeführt.
Um aus den Untersuchungen einen breiten Nutzen für die Praxis zu erzielen, basierten die eingesetzten Messverfahren auf handelsüblichen Geräten, welche jedoch bezüglich ihres Messprinzips und insbesondere der Datenerfassung und -auswertung weiterentwickelt wurden. Die Fehlstellengröße wurde bewusst klein gewählt.
Mit Ausnahme des manuellen Impakt-Echo-Verfahrens, mit welchem unter Verwendung der Originalsoftware des Herstellers keine Fehlstellen nachweisbar waren, zeigten sich alle Messverfahren geeignet, unter verschiedenen Randbedingungen Gefügestörungen zu lokalisieren. Insgesamt wurde jeder Fehlstellentyp von zumindest einem Verfahren bei mindestens zwei Versuchskörpern detektiert. Es konnten jedoch an keiner Betonplatte mit einem einzelnen Messverfahren alle vorhandenen Fehlstellen an allen Messterminen geortet werden.
Am häufigsten wurden die beiden großen oberflächennahen Fehlstellen (Hohlstelle Ø 8 cm, Kiesnest 10 cm) erkannt. Am schwersten zu lokalisieren waren die kleine Hohlstelle mit 4 cm Durchmesser sowie die beiden auf der Unterseite gelegenen Kiesnester.
Die Untersuchungen zeigen, dass für eine erfolgreiche Anwendung zerstörungsfreier Messverfahren in der Praxis die Auswahl des am besten geeigneten Verfahrens bzw. einer Kombination verschiedener Verfahren jeweils auf die vorliegende Problemstellung abgestimmt sein muss.
Für Betonbodenplatten mit hohem Feuchtegehalt (junger Beton) oder starker Bewehrung ist entweder das Ultraschall- oder das Impakt-Echo-Verfahren geeignet. Das Ultraschall-Verfahren wird von hohen Bewehrungsgehalten zwar stärker beeinflusst als das Impakt-Echo-Verfahren, besitzt aber eine bessere Auflösung und ermöglicht auch im oberflächennahen Bereich eine quantitative Bestimmung der Fehlstellentiefe. Das Impakt-Echo-Verfahren kann wegen der niederfrequenten Impulsanregung Fehlstellen erst in größeren Tiefen und mit schlechterer Auflösung nachweisen, ist aber ideal geeignet zur Bestimmung der Plattendicke aufgrund seines signifikanten Rückwandechos. Sowohl das Radar-Verfahren als auch die Impuls-Thermografie können bei hohen Feuchte- und Bewehrungsgehalten nur sehr oberflächennah eingesetzt werden.
Bei trockenem Beton und geringen bis mittleren Bewehrungsgehalten liefert das Radar-Verfahren sehr gute Ergebnisse. In kurzer Zeit ermöglicht es eine flächendeckende Ortung der Tiefenlage und Größe von Inhomogenitäten bei guter Auflösungsgenauigkeit. Vorhandene Bewehrung wird deutlich abgebildet, kann aber darunterliegende Fehlstellen verschatten. Alternativ kann die Impuls-Thermografie für die Ortung oberflächennaher Gefügestörungen eingesetzt werden. Das Verfahren eignet sich insbesondere bei Oberflächen, die nicht direkt zugänglich sind, da zwischen Infrarotkamera und Messobjekt nur Sichtkontakt bestehen muss.
Die Betongüte hatte bei keinem eingesetzten Verfahren einen erkennbaren Einfluss auf die Messergebnisse. Streng genommen ist dies jedoch nur für den Einfluss des Wasserzementwertes, der Zementart und des Zementgehalts bei gleichbleibender Sieblinie und gleicher Kornart gültig. Bei Verwendung von Leichtzuschlag sind abweichende Ergebnisse denkbar.