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Machbarkeitsstudie zur Zustandserfassung von Spannbetonschwellen mit dem Ultraschallverfahren
(2024)
Das niederfrequente Ultraschallverfahren zur zerstörungsfreien Zustandserfassung von Stahlbetonkomponenten findet im Bauwesen umfangreiche Anwendung. Multistatische Arrays sind am Markt verfügbar und ausgelegt für die Prüfung großflächiger Betonstrukturen. In einer Machbarkeitsstudie wird überprüft, ob eine Zustandserfassung an schlanken Spannbetonschwellen möglich ist. B70-Schwellen und B90-Weichenschwellen wurden hierfür im Labor, im Schienennetz und während der Wiederaufbereitung mit dem Ultraschallverfahren untersucht. Fokus ist die Detektion von Sickenrisse, Kopfrissen und Treibrissen im Bereich des Schwellenkopfes.
Die rekonstruierten Ultraschalldaten zeigen für intakt-klassifizierte Schwellen ein reproduzierbares Rückwandecho und weitere Reflexionen an den Schwellenaußenkanten. Die Ausprägung der Amplitude variiert je nach Degradation durch Belastung und Verwitterung. Defekt-klassifizierte Schwellen mit z. B. Kopfrissen oder unterseitigen Abplatzungen unterscheiden sich im Signalbild deutlich durch oberflächennahe Reflexionen bzw. verschobene Rückwandechos. Basierend auf den untersuchten Schwellen zeigt die Machbarkeitsstudie, dass eine zerstörungsfreie Zustandserfassung mit Hilfe des Ultraschallverfahrens grundsätzlich möglich ist.
Für die aktive Thermografie als zerstörungsfreie Prüfmethode galt lange Zeit die Faustformel, dass die Auflösung interner Defekte/Inhomogenitäten auf ein Verhältnis von Defekttiefe/Defektgröße ≤ 1 beschränkt ist. Die Ursache hierfür liegt in der diffusiven Natur der Wärmeleitung in Festkörpern. Sogenannte Super-Resolution-Ansätze erlauben seit Kurzem die Überwindung dieser physikalischen Grenze um ein Vielfaches. Damit ergibt sich die attraktive Möglichkeit die Thermografie von einem rein oberflächensensitiven Prüfverfahren hin zu einem Verfahren mit verbesserter Tiefenreichweite zu entwickeln. Wie weit diese Entwicklung getrieben werden kann, ist Gegenstand aktueller Forschung. Wir konnten bereits zeigen, dass diese klassische Einschränkung für ein- und zweidimensionale Defektgeometrien überwunden werden kann, indem das Prüfobjekt mit einzelnen Laserspots sequenziell strukturiert beleuchtet wird und damit anschließend aus den resultierenden Messdaten durch Anwendung photothermischer Super-ResolutionRekonstruktion eine Defektkarte berechnet werden kann, welche eine deutlich verbesserte Trennung einzelner naheliegender Defekte erlaubt. Dieses Verfahren profitiert dabei im Ergebnis stark von der Kombination von sequenzieller räumlich strukturierter Beleuchtung und modernen numerischen Optimierungsverfahren, was jedoch in Summe stark auf Kosten der experimentellen Komplexität geht. Dies führt im Gegensatz zur Anwendung von etablierten thermografischen Standardverfahren mit vollflächiger Beleuchtung zu langen Messzeiten, großen Datensätzen und langwieriger numerischer Auswertung. In dieser Arbeit berichten wir über die Anwendung vollflächig räumlichstrukturierter zweidimensionaler Beleuchtungsmuster, welche es durch den Einsatz modernster Laserprojektortechnik in Verbindung mit einem Hochleistungslaser überhaupt erst erlaubt, eine effiziente Umsetzung von photothermischer Super-ResolutionRekonstruktion auch für größere Prüfflächen zu erreichen.
Der Einsatz von Simulationen mit FEM (Finite Element Method) ermöglicht die die quantitative Beschreibung von Wärmeleitungsprozessen in komplexen Geometrien, bei denen analytische Ansätze nicht angewandt werden können, weil die zugrunde liegenden Vereinfachungen nicht gelten. Bei der genauen Modellierung eines kompletten thermografischen Experiments sieht sich der Modellierer einer ganzen Reihe von technischen und physikalischen Parametern gegenüber, die nicht immer bekannt sind und daher geschätzt werden müssen. Im konkreten Fall wurde ein relativ einfaches Experiment mit einfachen Geometrien betrachtet: ein durch Additive Manufacturing gefertigter Metallblock wurde mit einem Laserpuls homogen erwärmt. Aus dem Zeitverlauf der Oberflächentemperatur an der nicht erwärmten Rückseite des gleichmäßig dicken Blocks sollte die thermische Diffusivität des Volumenmaterials ermittelt werden. Bei dem Versuch, die experimentellen Daten durch eine passende Simulation zu beschreiben, ergab sich zunächst eine deutliche Abweichung: die gemessenen Temperaturen waren generell zu niedrig, was auf einen zusätzlichen Wärmeverlustmechanismus hinwies. Es erwies sich, dass die freie Auflage des Materialblocks auf einem flachen Bolzen zur Probenfixierung bei der Simulation des Experiments zu berücksichtigen ist, um eine gute Übereinstimmung zwischen Experiment und thermischer Simulation zu erzielen. Der Beitrag illustriert damit die Möglichkeiten und Potentiale von FEM-Simulationen bei der quantitativen Bewertung von thermografischen Inspektionen zur zerstörungsfreien Prüfung.
The successful shift to NDE 4.0 will not only require developing and embracing new technologies associated with the fourth industrial revolution or becoming an integral part of the overall Industry 4.0, but also developing and adopting new ways of working. It is undoubtful that people will remain in charge of the inspections. However, it is arguable if the current “procedure-following” “level I-III” paradigm can withstand the changes that come along NDE 4.0. With the increased autonomy and interconnectedness expected with NDT 4.0, the majority of traditional NDE tasks will no longer be needed. Instead, different skills, such as that of programming and adapting systems, as well as problem solving, will become vital for the inspections. Therefore, we suggest that a new paradigm is needed—one in which inspector roles and, thus, also the requirements will have to be reinvented. We expect the inspectors to be relieved from the tedious and error prone aspects of the current system and to take responsibility for increasingly complex automated systems and work in closer collaboration with other experts. Thus, we propose that the traditional inspector roles will be transformed into that of the system developer, caretaker and problem solver, each requiring a specific set of skills and assuming different responsibilities. In this talk, we will present the new roles and discuss the challenges that may arise with them.
Typically, the near-eutectic Al-Si alloys consist of highly interconnected three-dimensional network of the eutectic Silicon (Si) and intermetallics embedded into Aluminium (Al) matrix. For further improvement of the mechanical properties of such alloys, often, one single ceramic reinforcement phase, e.g. silicon carbide (SiC) or aluminium oxide (Al2O3) in the form of fibres or particles is added. However, hybrid reinforcements (fibres and particles) can further improve wear resistance and fracture toughness, and additionally, reduce anisotropy of the material. The engineering of metal matrix composites (MMC) for specific application requirements benefits from a comprehensive knowledge of the failure behaviour. Therefore, damage evolution under compression was investigated on:
- pure near-eutectic AlSi12CuMgNi matrix alloy
- type I: matrix reinforced with random-planar oriented Al2O3 short fibres (15 vol.%)
- type II: matrix reinforced with random-planar oriented Al2O3 short fibres (7 vol.%) and additional SiC particles (15 vol.%)
The analysis of damage mechanism was carried out in two rather independent but complementary studies. First, selected sister samples of every material were exposed to quasi-static compression (traverse control). The compression tests were interrupted at different strain levels. Miniature cylinders with a diameter of 1mm were extracted from the pre-strained samples and investigated by synchrotron computed tomography (SX-µCT) with a spatial resolution of about 0.7 µm. For the pure matrix alloy, microcracks are confined to the intermetallic particles and to the eutectic Si, hence no damage was observed in the Aluminium. The composite type II revealed a more effective strain accumulation (less damage) than type I at low plastic strain (up to 5 %), but a more catastrophic damage development due to cracking of the SiC clusters at higher strain levels.
The second approach to study the damage initiation and accumulation in the materials subjected to compressive load was Acoustic Emission (AE) analysis. In this case the in-situ monitoring of the acoustic emission signal was performed during compression tests on specimens with dimension of several mm. For all three material types, AE activity set at 2% strain. Differences in AE behaviour of the three materials was proven based on AE hitrate, signal peak amplitudes as well as weighted peak frequencies (WPF). Future work focuses on combination of AE and SX-µCT aiming for more detailed knowledge on damage mechanism of metal matrix composites.
Im Bereich der Zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) im Bauwesen werden eine Vielzahl von Messdaten erfasst. Obwohl Sie als Grundlage für wissenschaftliche Analysen dienen, gibt es noch keine einheitliche Repräsentation der Daten. Eine Analyse verschiedener verteilter Datensätze über unterschiedliche Prüfobjekte hinweg ist daher kaum möglich.
Wir stellen einen Ansatz für ein integriertes Datenmanagement verteilter Datensätze auf Basis von Semantic-Web Technologien vor. Der Ansatz basiert im Kern auf einem mathematischen Modell – der sogenannten Ontologie – welches das Wissen unserer Domäne ZfPBau repräsentiert. Die von uns entwickelte ZfPBau Ontologie wird mit Datenquellen verknüpft und beschreibt so die semantische Bedeutung der Daten. Darüber hinaus fungiert die Ontologie als zentrales Konzept für den Datenbankzugriff. Domänen-fremde Datenquellen können durch die Verknüpfung mit der ZfPBau Ontologie einfach integriert werden und stehen zur generischen Nutzung im Sinne der Digitalisierung direkt zur Verfügung. Basierend auf einer umfangreichen Literaturrecherche, skizzieren wir die Möglichkeiten die sich daraus für die ZfP im Bauwesen ergeben, wie zum Beispiel Messdaten computergestützt zu sortieren, zu analysieren, Zusammenhänge zu erkennen und zu erklären.
Der erwartete Nutzen dieses Ansatzes der Wissensrepräsentation und des Datenzugriffs für die ZfP-Community ist eine Erweiterung des Wissens durch Datenaustausch in der Forschung (Interoperabilität), die wissenschaftliche Verwertung großer existierender Datenquellen mit datenbasierten Verfahren (wie Bilderkennung, Messunsicherheitsberechnungen, Faktoranaylsen, Materialcharackterisierung) und letztlich ein vereinfachter Transfer von ZFP-Daten in Ingenieurmodelle und somit in die Baupraxis.
Ontologien sind bereits Kern vielzähliger intelligenter Systeme wie Building-Information-Modeling oder Forschungsdatenbanken. Der Beitrag gibt einen Überblick über die Werkzeuge die wir derzeit für die Kommunikation mit ihnen schaffen.
In the field of non-destructive testing (NDT) in civil engineering, a large number of measurement data are collected. Although they serve as a basis for scientific analyses, there is still no uniform representation of the data. An analysis of various distributed data sets across different test objects is therefore only possible with high manual effort.
We present a system architecture for an integrated data management of distributed data sets based on Semantic Web technologies. The approach is essentially based on a mathematical model - the so-called ontology - which represents the knowledge of our domain NDT. The ontology developed by us is linked to data sources and thus describes the semantic meaning of the data. Furthermore, the ontology acts as a central concept for database access. Non-domain data sources can be easily integrated by linking them to the NDT construction ontology and are directly available for generic use in the sense of digitization. Based on an extensive literature research, we outline the possibilities that this offers for NDT in civil engineering, such as computer-aided sorting, analysis, recognition and explanation of relationships (explainable AI) for several million measurement data.
The expected benefits of this approach of knowledge representation and data access for the NDT community are an expansion of knowledge through data exchange in research (interoperability), the scientific exploitation of large existing data sources with data-based methods (such as image recognition, measurement uncertainty calculations, factor analysis, material characterization) and finally a simplified exchange of NDT data with engineering models and thus with the construction industry.
Ontologies are already the core of numerous intelligent systems such as building information modeling or research databases. This contribution gives an overview of the range of tools we are currently creating to communicate with them.
X-ray back scatter imaging is rarely applied compared to classical X-ray projection imaging. 20 years ago the company Philips developed “COMSCAN”, a first application case in the aircraft industry, which allowed even a depth resolution using back scatter imaging. The company AS&E in Boston offers back scatter imaging solutions for the security market. Their principle is to scan the object with a highly collimated X-ray needle beam from one side only and detect the backscattered radiation by a large area detector side by side with the collimation wheel. A new prototype is investigated at BAM for application and optimization in non-destructive testing. As modern industrial application field in-situ testing in additive manufacturing is targeted. The accessibility of the printed part during the production process is very limited. This prevent the application of a two sided X-ray inspection or Computed Tomography, were an rotation of the object is required to acquire projections from 360 degrees. An important advantage for the X-ray back scatter technique are also the materials used in additive manufacturing (polymers, ceramics, light metals like Aluminum or Titanium). These materials with lower density and lower Z values give better scatter signals than metals with higher densities and Z values. The back scatter intensity decreases with increasing density and Z value of the material. But the requirements on spatial resolution and contrast sensitivity are more stringent for non-destructive testing of additive manufactured parts compared to the security area. In NDT sizes of indications smaller than 1 mm have to be detected clearly. The investigation of these limits on a stateof-the-art prototype for X-ray back scattering using rotating collimated X-ray needle beams is a part of the BAM project “ProMoAM”. The contribution shows first results of the optimization for NDT and the achieved application limits for several example cases.
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.
Die „Laser Induced Breakdown Spectroscopy“ (LIBS) bietet die Möglichkeit, direkt auf der optisch zugänglichen Oberfläche von Baustoffen 2-dimensional die Elementverteilung zu erfassen. Durch das zugrundeliegende Prinzip sind alle Elemente des Periodensystems detektierbar, auch leichte Elemente wie Wasserstoff oder Lithium.
Einerseits können alle für die Zusammensetzung des Zementes und der Gesteinskörnung relevanten Elemente erfasst werden, andererseits auch die für Schädigungsprozesse in Beton wichtigen Elemente Chlor, Schwefel, Natrium, Kalium, Kohlenstoff und Stickstoff. Der Nachweis kann simultan erfolgen.
Der Vorteil des Verfahrens liegt in der einfachen Probenvorbereitung, der direkten Messung auf der Oberfläche des Festkörpers und der Schnelligkeit der Messung. Die Heterogenität von Beton wird im Ergebnis berücksichtigt. Die Konzentrationen von schädigenden Ionen lassen sich bezogen auf den Bindemittelgehalt angeben. LIBS liefert standardmäßig qualitative Werte. Durch Kalibrierung anhand von Referenzproben ist eine Quantifizierung der Ergebnisse möglich.
Das Potenzial des Verfahrens wird am Beispiel der Bestimmung der Chlorid-Verteilung in der Bindemittelmatrix vorgestellt. Andere Anwendungen sind die Bestimmung der Karbonatisierungstiefe, die Bestimmung des Eintrages von Alkalien oder die Bestimmung der Verteilung von Schwefel.
Das Verfahren kann im Labor zur Untersuchung einer großen Anzahl von Proben oder vor-Ort zur schnellen Entscheidungsfindung eingesetzt werden. Kommerzielle Geräte sind seit kurzem verfügbar.
Die örtliche Auflösung der Messung beträgt bis zu 0,1 mm × 0,1 mm. Ein Messpunkt hat einen Durchmesser von ca. 100 μm. Die Messfrequenz liegt bei 100 Hz. Als Ergebnis entstehen für jedes Element eine 2D-Darstellungen der Konzentration über der Messfläche.
Der Scan eines Bohrkerns von 50 mm x 70 mm dauert bei einer Auflösung von 0,5 mm lateral und 1 mm vertikal ca. 7 min. Es können auch raue oder gebrochene Oberflächen durch Nachführung der z-Achse untersucht werden. Die Nachweisgrenze für die Bestimmung des Chlorgehaltes bezogen auf den Bindemittelgehalt liegt bei 0,03 M-%.
Der Unterausschuss LIBS im Bauwesen im FA ZfP im Bauwesen der DGZfP arbeitet an der Erstellung von Merkblättern und Regelwerken zur Anwendung des Verfahrens.
The detection of cracks before the failure is highly significant when it comes to safety-relevant structures. Crack detection in metallic samples at high surface temperature is one of the challenging situation in manufacturing industries. Laser thermography has already proved its detection capability of surface cracks in metallic samples at room temperature. In this work a continuous wave (CW) laser use to generate a laser, which is using to scan the metal surface with notch. The corresponding heat distribution on the surface monitored using infrared thermal (IR) camera. A simplified 3D model for laser thermography is developed and validated with experimental results. A dedicated image processing algorithm developed to improve the detectability of the cracks. To understand the dependency of surface temperature, laser power, laser scanning speed etc. in defect detection, we carried out parametric studies with our validated model. Here we report the capability of laser thermography in crack detection at elevated temperature.
Analyse des Tausalzeintrages in Fahrbahndeckenbetone im Kontext der Alkali-Kieselsäure-Reaktion
(2018)
In den letzten Jahren sind im deutschen Bundesautobahnnetz (BAB-Netz) vermehrt AKR-Schäden an Betonfahrbahndecken aufgetreten, die zum Teil zu einer Halbierung ihrer geplanten Nutzungsdauer von 30 Jahren führte. Ursächlich hierfür ist die Verwendung alkaliempfindlicher Gesteinskörnung, die bei gleichzeitiger Anwesenheit von Wasser infolge der Exposition der Fahrbahndecke und dem alkalischen Milieu durch den Einsatz alkalireicher Portlandzemente bei der Betonherstellung zu einer Alkali-Kieselsäure-Reaktion (AKR) führt. Zusätzlich wird der AKR-Schädigungsprozess in Betonfahrbahndecken durch den externen Tausalzeintrag (primär NaCl) im Winter begünstigt. Vor diesem Hintergrund kommt der Ermittlung des Tausalzeintrags in den Fahrbahndeckenbeton eine große Bedeutung zu. Die Analyse des Tausalzeintrags erfolgte bisher ausschließlich nasschemisch an gemahlenen Bohrkernsegmenten. Nachteilig ist hierbei die fehlende differenzierte Betrachtung des Natriumgehaltes im Zementstein und in der Gesteinskörnung. Der alternative Einsatz von LIBS (Laser-induced breakdown spectroscopy) eröffnet in diesem Kontext neue Möglichkeiten. So wird in diesem Beitrag an Hand von Bohrkernen aus einem AKR-geschädigten BAB-Abschnitt exemplarisch die Vorgehensweise bei der LIBS-Analyse zur Ermittlung der Na- und interagierenden Cl-Verteilung an vertikalen Schnittflächen des Bohrkerns aufgezeigt. Da der Tausalzeintrag primär über den Zementstein erfolgt, wurde der verfälschende Na-Grundgehalt der Gesteinskörnung mittels Zementsteinkriteriums (Nutzung unterschiedlichen Ca-Gehalts in Zementstein und Gesteinskörnung) eliminiert. Vergleichend durchgeführte Cl-Mappings mit Mikroröntgenfluoreszenzanalyse (MRFA) belegen die Güte der durchgeführten LIBS-Messungen.
Aber auch bei der Verifizierung der Übertragbarkeit der Ergebnisse der zum Ausschluss reaktiver Gesteinskörnung bei Neubau und Erneuerung im BAB-Netz eingesetzten Performanceprüfungen mit externem Alkalieintrag auf Praxisverhältnisse hat sich das LIBSVerfahren bewährt. So wurde festgestellt, dass die mit NaCl-Lösung beaufschlagten Laborprüfkörper aus einem repräsentativen Fahrbahndeckenbeton bei der Klimawechsellagerung (KWL) über ihre gesamte Höhe von 10 cm einen Eintrag von Na und Cl erfahren. Weiterhin konnte im Gegensatz zu bisherigen Annahmen erstmals mit LIBS und Nasschemie gezeigt werden, dass die Frost-Tauwechsel-Phase bei der KWL zu keinem erhöhten Tausalzeintrag führt.