Wissenschaftliche Artikel der BAM
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Ultraschallverfahren haben sich im Bauwesen in den letzten Jahren immer mehr in der Praxis etabliert. Echomessungen zur Geometriebestimmung sind Stand der Technik. In der Wissenschaft gibt es zahlreiche Ideen, die Messmethodik und die Auswertung weiter zu verbessern sowie den Einsatzbereich zu erweitern. Erste eingebettete Ultraschallsysteme zum Langzeitmonitoring sind installiert, Mehrkanalgeräte ermöglichen immer größere Aperturen und Eindringtiefen, verbesserte Abbildungsverfahren zeigen immer mehr Details. Zusätzlich lassen sich Verfahren aus der Geophysik adaptieren, die weiteren Fortschritt versprechen. Die Seismische Interferometrie dient klassisch dazu, Materialeigenschaften des Erduntergrundes mittels seismischer Wellen zu bestimmen. Derzeitige Anwendungsbereiche sind die Verbesserung seismischer Abbildungsverfahren, Interpolation seismischer Spuren (A-Scans), Bestimmung von Quellparametern oder die Eliminierung unerwünschter Signale in passiven und aktiven Experimenten, hauptsächlich durch Kreuzkorrelation und Bestimmung Greenscher Funktionen. Diese Techniken können auch auf Ultraschalldaten, die an Betonkonstruktionen erfasst wurden, angewendet werden. Moderne Abbildungsverfahren benötigen eine möglichst hohe A-Scan-Dichte und eine genaue Kenntnis des Quellsignals. Beides ist nicht unbedingt gegeben, z. B. wegen der physischen Größe der Sensoren und wechselnder Ankopplungsbedingungen. In simulierten und realen Experimenten wurden interferometrische Methoden zur Lösung dieser Aufgabenstellungen evaluiert. Es zeigt sich, dass fehlende A-Scans kinematisch korrekt interpoliert werden können, wenn ausreichend viele Sender- und Empfängerpositionen genutzt wurden. Amplituden und Signalform sind verändert, können aber durch adaptive Filterung angepasst werden. Die Quellsignalform kann mit hoher Genauigkeit rekonstruiert werden. Die Ergebnisse können potentiell zu einer Verbesserung der Abbildung des Inneren der untersuchten Objekte genutzt werden.
Ultraschall-Echo-Messungen dienen im Bauwesen zur Dickenbestimmung von Bauteilen sowie der Lokalisierung und Charakterisierung von Einbauteilen, Einlagerungen und anderen Inhomogenitäten. Zur Rekonstruktion werden bisher Abbildungsverfahren wie z.B. 3D-SAFT genutzt. Diese setzen aber voraus, dass direkte Reflexionen am Abbildungsobjekt erfolgen. Deshalb können keine zuverlässigen Aussagen über den Durchmesser von eingebauten Spannkanälen oder z. B. Seitenkanten von Objekten getroffen werden.
Ziel laufender Forschungsarbeiten ist es, die Abbildungsqualität zu verbessern.
Mit der aus der Geophysik stammenden Reverse Time Migration, die bereits häufig in der Erdölexploration genutzt wird, lassen sich auch steilere Strukturen über 70° abbilden und somit auch die Unterseite von Einbauten oder Stufen in Bauteilen darstellen.
Um die Leistungsfähigkeit des Algorithmus für die zerstörungsfreie Prüfung zu untersuchen, wurden verschiedene Simulationsrechnungen durchgeführt. Dabei wurden typische Prüfprobleme unterschiedlicher Komplexität zunächst in Polyamid nachgestellt. Die Schwerpunkte lagen bei der Darstellung senkrechter Grenzflächen und Hohlstellen. Die Rechnungen dienten neben der Evaluierung und Optimierung des Verfahrens auch der Planung von Experimenten an Probekörpern mit verschiedenen Einbauten.
Die Simulationsergebnisse wurden an einem dem synthetischen Modell entsprechenden Polyamidprobekörper überprüft, an dem rauscharme Ultraschalldaten aufgenommen werden konnten. In einer Messreihe wurde in den Probekörper eine Bohrung eingebracht und schrittweise vergrößert. Mit diesen Messungen konnte die Leistungsfähigkeit der Reverse Time Migration auch an realen Ultraschalldaten nachgewiesen werden. Untersuchungen mit an Beton aufgenommenen Ultraschalldaten werden folgen.
Untersuchung der Auflösungsgrenzen der Lockin-Thermografie zur Prüfung von Faserverbundwerkstoffen
(2014)
Aktive Thermografie mit Lockin-Anregung stellt ein berührungsfreies und zerstörungsfreies Prüfverfahren dar, welches insbesondere auch die Prüfung von kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen ermöglicht. Um eine Standardisierung dieses Verfahrens voranzubringen, wurden im Rahmen eines Forschungsprojektes umfangreiche Untersuchungen zur Validierung des Verfahrens durchgeführt.
Dabei wurden unter anderem der Einfluss der spektralen Empfindlichkeit verschiedener Kamerasysteme, unterschiedlicher Lagenaufbauten bei CFK-Probekörpern und der Einfluss einer Phasenverschiebung zwischen dem Anregungssignal und der Detektion der Thermografiebilder untersucht.
Wir stellen eine Prozedur vor, mit der typische 'Missing Wedge' (MW)-Artefakte in CT-Rekonstruktionen effektiv unterdrückt werden können. Dazu wird der iterative DIRECTT-Algorithmus (Direkte Iterative Rekonstruktion Computertomographischer Trajektorien) mit einigen Zyklen diskreter Rekonstruktion eingesetzt. Die Kernfunktionen des Algorithmus', die wiederholte Auswahl und Gewichtung von Elementen einer Zwischenkonstruktion, werden beibehalten. Abgesehen von Sonderfällen der Röntgen- und Neutronentomographie tritt die MW-Restriktion (neben einer Vielzahl anderer) in Standardkonfigurationen der Elektronentomographie auf. Um den MW-Effekt isoliert zu untersuchen und beurteilen zu können, werden hier vollständige experimentelle Datensätze einer bekannten Porenstruktur um einen Sektor beschnitten sowie MW-Rekonstruktionen von Porenmodellen erzeugt. Die Ergebnisse werden mit zurzeit verbreiteten Algorithmen (Gefilterte Rückprojektion (FBP) und ART-Varianten) verglichen. Die Bewertung im Fourierraum zeigt, dass DIRECTT die fehlende Information im MW erfolgreich ergänzt. Zur quantitativen Bewertung der lokalen Rekonstruktionsqualität werden Methoden der räumlichen Statistik eingesetzt.
Die durch Brechung an Mikrostrukturen abgelenkte Röntgenstrahlung wird direkt zweidimensional abgebildet. Dazu werden Modellproben einfacher Geometrie (Fasern, Kapillaren, monodisperse Nano- und Mikropartikel) mit einem auf 50 µm kollimierten Synchrotronstrahl (20 keV) gescannt. Die nach den Regeln der geometrischen Optik an prismatischen und linsenartigen Grenzflächen abgelenkte Strahlung wird in etwa 3 Metern Entfernung von einem Flächendetektor mit 7 µm Ortsauflösung zusätzlich zu der ungestörten Resttransmission des Primärstrahls registriert. In der Abfolge der Radiogramme werden die lokalen Orientierungsänderungen der Probekörper-Grenzflächen bei deren Abtastung mit wenigen Mikrometern Schrittweite bildhaft verfolgt. Mit der hier erreichten Winkelauflösung von etwa 3 Bogensekunden (Streuvektor-Inkremente Δk = 10-3nm-1) kann bei 50 µm Ortsauflösung das Materialvolumen bezüglich innerer Grenzflächen mit Nanometer-Separation auch bei hohen Abtastraten unterhalb einer Sekunde pro Bild charakterisiert werden.
Ein Großteil der Schäden im Baubereich ist auf feuchteinduzierte Prozesse zurückzuführen. Der Erhaltungsaufwand allein im Hochbau wurde bereits vor einiger Zeit auf jährlich ca. 35 Mrd. Euro geschätzt.
Aus diesem Grund hat die Feuchtemessung in der Bauwerksdiagnose eine sehr hohe Bedeutung - und im Idealfall sollte sie natürlich alles können: schnell sein, wiederholbar und zerstörungsfrei anwendbar.
Zwar gibt es eine Vielzahl an verfügbaren Feuchtemesstechniken, oft fällt es Anwendern aber schwer, einzuschätzen welches die richtige Prüfmethode für ihr Problem ist. Genormt sind nur direkte und zerstörende Verfahren, die zwar teils hochgenau, aber doch nur stichprobenartig Aussagen liefern können.
Die anderen, zerstörungsfreien Methoden basieren auf der Änderung feuchteabhängiger physikalischer Materialeigenschaften. Ihre Grundlagen, sowie Vor- und Nachteile werden hier näher dargestellt.
Der Large Hadron Collider (LHC) des europäischen Kernforschungszentrums CERN ist einer der weltweit größten und leistungsfähigsten Teilchenbeschleuniger. Um den Teilchenstrahl auf seiner Kreisbahn zu halten, werden mit Hilfe supraleitender Spulen sehr starke Magnetfelder erzeugt. Die hierzu benötigten hohen Ströme werden über Verbunddrähte aus Niob-Titan und Kupfer geleitet.
Die Drähte werden u.a. durch Ultraschallschweißungen miteinander verbunden. Eine mangelhafte Verbindung kann zur Erwärmung der Kontaktstelle und in Folge davon zum Zusammenbruch der Supraleitung führen. Auf Anfrage des CERN wurden an der BAM Untersuchungen zur Prüfbarkeit solcher Verbindungen bei Umgebungstemperatur durchgeführt. Es gelang, für einen Verbindungstypen einen Wirbelstromsensor für eine manuelle Prüfung zu entwickeln. Ein Prototyp des Sensors befindet sich beim CERN in der praktischen Erprobung. Das Sensorprinzip sowie Prüfergebnisse aus Labor und Praxis werden vorgestellt.
Sollten CT Aufnahmen quantitativ und automatisch ausgewertet werden, ist die Qualität der Tomogramme ein wesentlicher Punkt. Außerdem steht bei Serienmessungen nur eine begrenzte Meßzeit für jede Probe. Es werden die verschiedenen Mikrofokusröhren in Bezug auf die Parameter Orts- und Dichteauflösung, sowie Meßzeit verglichen, CT Beispiele dazu gezeigt.
Geführte Ultraschallwellen bieten eine Vielzahl von Einsatzmöglichkeiten in der Zerstörungsfreien Prüfung, der Zustandsüberwachung sowie der Materialcharakterisierung. Insbesondere für Rohrleitungen und ausgedehnte Plattenstrukturen ist eine Vielzahl von auf geführten Wellen basierenden Verfahren in der Entwicklung und teilweise bereits im Einsatz. Aufgrund des komplexen Ausbreitungsverhaltens geführter Wellen werden numerische Verfahren (etwa die Finite Elemente Methode (FEM) oder die Randelementemethode (BEM)) zur Simulation der Wellenausbreitung sowie der Wechselwirkung mit Defekten in Wellenleitern angewendet. Diese Methoden sind für große Strukturen extrem rechenintensiv und umständlich in der Anwendung. Ein ungleich effizienteres Verfahren wurde kürzlich von den Autoren auf Grundlage der Scaled Boundary Finite Element Method entwickelt. Ein semi-analytischer Ansatz erlaubt die Modellierung beliebig ausgedehnter Strukturen bei extrem kurzen Rechenzeiten. Die Wechselwirkung geführter Wellen mit Rissen kann auf besonders elegante und exakte Weise beschrieben werden. Mit dieser Methode können die komplexen Vorgänge in Wellenleitern innerhalb weniger Sekunden modelliert werden.
Bikontinuierliche poröse Keramiken für Filteranwendungen weisen eine komplizierte Mikrostruktur auf, in der Poren und Festkörperphase 'vermischt' sind. Mechanische, thermische sowie Filtereigenschaften können nur präzise bestimmt werden, wenn die Morphologie beider Phasen quantitativ angegeben werden kann. Hier werden unter Anwendung von 3D Computertomographie (CT) und verschiedenen Techniken, die auf der Röntgenrefraktion basieren, die Porosität und die Porenorientierung in keramischen Cordierit-Dieselpartikelfiltern bewertet. Dabei werden zur Auswertung der Tomogramme die Fouriertransformierten sowie eine neu entwickelte richtungssensitive Bildanalyse (DIVA, directional interface variance analysis) angewandt. Sowohl die genannten Messtechniken als auch der statistische Ansatz gestatten die Extraktion optional ortsaufgelöster oder gemittelter Werte. Es ergeben sich sehr gute Übereinstimmungen der experimentell ermittelten Porositätswerte mit Ergebnissen aus Quecksilberintrusionsversuchen als auch der ermittelten Porenorientierung im Vergleich zu publizierten Angaben zur kristallographischen Textur. Dies legt den Schluss nahe, dass die Kenntnis der Grenzflächen (zwischen Poren und Materie) genügt, die morphologischen Eigenschaften solcher Materialien hinreichend zu beschreiben.
Klebverbindungen im modernen Hochbau können helfen, innovative ästhetische Bedürfnisse im Fassadenbau umzusetzen, technologische Verbesserungen zu erreichen, aber auch die Wechselwirkung von Gebäuden mit der Umwelt unter energetischen Aspekten zu optimieren. Aufgrund der hohen sicherheitstechnischen Bedeutung gibt es hohe Anforderungen an die Leistungsfähigkeit, Dauerhaftigkeit und die Gütesicherheit.
Mit einer zerstörungsfreien praxistauglichen Prüftechnik, die eine sichere Überprüfung der Integrität von Glas-Metall Klebverbindungen im Ingenieurhochbau gewährleistet, kann sowohl ein wichtiger Beitrag zur Qualitätssicherung bei der Herstellung von Fassadenelementen aber auch bei der späteren Bauwerksüberwachung im Verlauf der Nutzungsdauer geleistet werden. Für eine Beurteilung der Qualität der Verbundfuge (z.B. bezgl. Standsicherheit) sind dabei Aussagen zur Homogenität der Verbundfuge, zum adhäsiven und kohäsiven Verbundverhalten gefordert. Hierzu besteht aktuell insbesondere Bedarf an zerstörungsfreien praxisgerechten, hoch ortsauflösenden und möglichst bildgebenden Untersuchungsverfahren.
Es wird mit einem Matrixarray und mit konventionellen Winkelprüfköpfen eine Prüftechnik vorgestellt, mit der die Wechselwirkung zwischen Ultraschallwelle und Fehlstelle in der Klebefuge untersucht wird. Hierbei ist das erste Untersuchungsziel, mit einer angepassten Ultraschall-Prüftechnik mögliche Inhomogenitäten oder Schädigungsstellen in der geklebten Glas-Metall Verbindung zu detektieren.
Über diese qualitativen Aussagen hinaus werden weiterführende Informationen über die flächenhafte Ausdehnung und den Ort einer mangelnden Klebung ermittelt. Dazu werden die Messwerte zusammen mit den Positionen des Ultraschallprüfkopfs aufgezeichnet. Mit Hilfe einer bildhaften Auswertung der gemessenen Ultraschallechos in Abhängigkeit vom Prüfkopfort werden die Möglichkeiten einer detaillierten Integritätsanalyse der Glas-Metall Klebschicht dargestellt. In diesem Beitrag werden experimentelle Prüfergebnisse vorgestellt, die im Sinne einer Verfahrensvalidierung an einem speziellen Beispielprobekörper zur Nachstellung einer SSG-Verglasung (ermittelt wurden und die Detektion fehlerhafter Klebestellen in einer Glas-Metall-Klebverbindung zum Ziel haben.
Fourier-Spektroskopische Untersuchungen von hochmolekularem Polyethylen (HMW-PE) und ultrahochmolekularem Polyethylen (UHMW-PE) im Mittleren - und Fernen Infrarotbereich können Veränderungen der molekularen Strukturen nachweisen, die durch Co60 γ-Strahlung und Rekristallisationsprozesse initiiert werden. UHMW-PE und HMW-PE sind im gewählten IR-Bereich unterscheidbar. Die integrale Absorption der B1u – Gitterschwingungen im Fernen Infrarotbereich (THz-Bereich) ermöglichen die quantitative Beschreibung des Kristallinitätsgrades und dessen Abbau. Die Bildung ungesättigter Vinylengruppen und der Abbau ungesättigter Methylengruppen können im Mittleren Infrarotbereich nachgewiesen werden.