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Foundations
(2017)
Modern geophysical methods might be either directly applied to concrete structures or integrated into existing testing schemes to assist in quality assurance and inspections. This paper gives an overview on some ideas and developments from the author’s work:
• Vibrator technologies to improve pile integrity testing.
• Ideas from vertical seismic profiling used in multichannel pile inspection
• Cross- and downhole seismics to check the diameter of jet grouting columns
• Improving the parallel seismic methods for precise length measurement of piles and foundation walls
• Seismic migration methods to improve ultrasonic imaging of foundation slabs
• Seismological tools to monitor subtle changes in concrete constructions
The authors strongly believe that the cooperation between geophysics and civil engineering, which is obviously becoming stronger and stronger, will lead to a large number of innovative approaches.
Bridge monitoring using embedded ultrasonics First results from the BLEIB reference structure
(2017)
The BLEIB reference structure The structure is a two-span, 24 m long inverse u-shaped post-tensioned concrete beam. Fibre optic sensing cables, RFID sensors and ultrasonic transducers are permanently embedded. Other sensing techniques (vibrational, optical, ultrasonic, mechanical) are applied externally. Tension can be adjusted. Loads can be placed at arbitrary locations. Limited damage is introduced to one span. The BLEIB reference structure is located at BAM‘s test site in Horstwalde, south of Berlin. Ultrasonic transducer before concreting.
Embedded ultrasonic transducers 14 piezo transducers have been embedded before concreting. They are located in five sections, two close to the centers of both spans respectively and one above the central bearing.
Load experiment and data evaluation In a first experiment load 2 (weight 2 t) was moved three times along the southern (right) span. The tension forces were modified as well.
Ultrasonic transmission measurements were repeated over time and evaluated using Coda Wave Interferomerry (CWI), which determines correlation coefficients and relative velocity changes as subtle indicators for loads and other changes in the material.
Seismic wave velocities are related to elastic moduli and other properties and can serve as indicators for changes in the material. They are conventionally determined by active measurements. Using ideas from seismic interferometry determination from stacked cross-correlations of registrations of man-made and natural noise (“passive seimics“) is an effective alternative, as these data might be available from vibration monitoring anyway. The validity of this approach is demonstrated by a simple experiment based on recordings of man made noise using accelerometers at the reference structure. The s-wave (or more probable. guided wave) velocity was determined to be 2100 m/s in both active and passive experiments.
Seismic wave velocities are related to elastic moduli and other properties and can serve as indicators for changes in the material. They are conventionally determined by active measurements. Using ideas from seismic interferometry Determination from stacked cross-correlations of registrations of man- made and natural noise (“passive seimics“) is an effective alternative, as these data might be available from vibration monitoring anyway. The validity of this approach is demonstrated by a simple experiment based on recordings of man made noise using accelerometers at the reference structure. The s-wave (or more probable. guided wave) velocity was determined to be 2100 m/s in both active and passive experiments.
Das Ultraschall-Echo-Verfahren ist eine wichtige Methode der zerstörungsfreien Prüfung (ZfP). Prüfaufgaben im Bauwesen beinhalten unter anderem die korrekte Dickenbestimmung von Konstruktionen, sowie die Lokalisierung von Einbauteilen und Fehlstellen. Das Abbildungsverfahren RTM (Reverse Time Migration) liefert oft bessere Bilder als konventionelle Verfahren. Die Datenaufnahme am Betonprobekörper erfolgte mit einem Scannersystem der BAM, bei dem jeweils ein Ultraschall-Prüfkopf als Sender bzw. Empfänger diente. Es wurden senkrecht zur Profilrichtung horizontal polarisierte Scherwellen genutzt. Die RTM wurde mit dem Softwarepaket Madagascar gerechnet.
Die Ergebnis zeigt das Potential dieser Methode im Bezug auf komplexe Strukturen. Die lateralen Positionen der Risse im RTM-Bild sowie deren Höhe innerhalb des Probekörpers, entsprechen recht genau dem visuellen Befund.
Die Coda transmittierter Ultraschallsignale in Beton enthält Informationen zu Struktur und Zustand des Materials bzw. deren Änderung. Relevant sind u. a. Temperatur, Stress, Feuchtigkeit und verschiedene Schädigungsmechanismen. Die zahlreichen Einflussfaktoren sind nur schwer zu trennen und die Messeffekte oft zu Beginn sehr klein.Die CWI ermöglicht die Detektion kleinster Geschwindigkeitsveränderungen durch den Vergleich, der in kleinen Schritten gestauchten oder gestreckten Signalen mit eine Referenzmessung. Andere Indikatoren für Änderungen im Material sind:
• Kreuzkorrelation
• Laufzeit direkte Welle
• Energie/Amplitude
• Änderungen im Frequenzspektrum
Die beschriebene Technik wird von uns bisher primär in klein- und großskaligen Laborversuchen genutzt. Die Forschung konzentriert sich auf die Untersuchung und Trennung verschiedener Einflusseffekte. Aber auch erste reale Bauwerke wurden schon instrumentiert, z. B. Brücken und eine Tunneldecke.
Im rahmen des themenfeldprojektes LEBEWIND wurden Vorversuche zur Ultraschallprüfung von Groutverbindungen an Offshore-Windenergieanlagen gemacht. Die Experimente mit kommerzieller Prüftechnik in Echo und Transmission durch die Stahlwandung hindurch bestätigten, dass diese Bauweise so nicht prüfbar ist.