3D-Ultraschallabbildungsverfahren für Betonbauteile
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Die im vorliegenden Vorhaben bearbeiteten Themen betreffen anspruchsvolle Fragestellungen, die im Rahmen der DFG Forschergruppe FOR 384 nicht abschließend beantwortet werden konnten (Zerstörungsfreie Strukturbestimmung von Betonbauteilen mit akustischen und elektromagnetischen Echo-Verfahren, 2001 bis 2007). Als Ergebnis konnten damals bereits Lufteinschlüsse in Spanngliedern mit direktem Verbund in vielen Fällen eindeutig mit bildgebenden Ultraschallechoverfahren über Intensität und Phasenlage identifiziert werden. In der praktischen Anwendung stellt sich jedoch heraus, dass häufig die vermuteten Verpressfehler seitlich im Hüllrohr oder an der der Messung abgewandten Seite liegen, also von den Spannlitzen oder -drähten verdeckt sind. Außerdem sind die Spannglieder oft hinter massiver schlaffer Bewehrung teilweise „verborgen“. Im Rahmen des vorliegenden Vorhabens wurden nun diejenigen Verfahren weiterentwickelt und deren Randbedingungen untersucht, unter denen auch die Lösung dieser komplexeren Aufgaben gelingen kann. An einem aktuell häufig eingesetzten Spannsystem wurden viele verschiedene Varianten der Spanngliedlage im Bauteil, der Litzenposition und der Fehlstellenlage im Hüllrohr betrachtet. Auf Seite der Modellierung und Rekonstruktionsrechnung wurden dabei Methoden der inversen Rückausbreitung angewendet, die die unterschiedlichen Schallgeschwindigkeiten des Verpressmörtels und der Litzen im Hüllrohr berücksichtigen und damit die exakte Positionierung ermöglichen. Dabei wurde in vier Stufen vorgegangen: Modellierung der Schallausbreitung und Auswertung von synthetischen Daten; Bildgebende Ultraschallmessung und Auswertung an idealisierten Probekörpern; Bildgebende Ultraschallmessung und Auswertung an einer praxisrelevanten Testwand; Verifikation der Ergebnisse Als Ergebnis kann festgehalten werden, dass die Lösung der oben erwähnten sogenannten einfachen Prüfaufgaben vollständig bestätigt wurde. Diese können jetzt aber präziser, in größerer Bauteiltiefe und wesentlich praxisgerechter als zuvor gelöst werden. Speziell für die im Rahmen des Projektes entwickelten Mikroprobekörper ergibt sich eine beindruckende Übereinstimmung von Messung und Modellierung. Für das für die grundlegenden Untersuchungen gewählte Spannsystem ergibt sich aber auch, dass die Reflexionen aus dem Inneren der Hüllrohre empfindlich von der Position der Litzen abhängen und gesuchte Reflexionen von Lufteinschlüssen überlagern. Das gilt sowohl für die Modellierung als auch die entsprechende Messung. Einige der sehr anspruchsvollen Ziele konnten also noch nicht erreicht werden bzw. sind grundsätzlich nicht lösbar. Dennoch ist festzuhalten, dass sich die aus der Modellierung und den entsprechenden Rückausbreitungen abgeleiteten Prüfmöglichkeiten in den Experimenten weitgehend realisieren lassen. Die elastodynamische Beschreibung der Ausbreitung von Wellenimpulsen stimmt bis auf einzelne Ausnahmen mit der Realität überein. D. h., Realität und Modellierung führen zum gleichen Ergebnis, die Effekte der Ausbreitung elastischer Wellen in Spannbeton können weitgehend als verstanden gelten. Als Ergebnis des Vorhabens stehen also nun die rechnerischen und messtechnischen Werkzeuge zur Verfügung, um herauszufinden, für welche Stahlbetonkonstruktionen und -bauteile sich eine ultraschallgestützte Qualitätssicherung und zerstörungsfreie Zustandsüberprüfung prinzipiell eignet und entwickelbar ist. Um solche Systeme zu realisieren, wären dann dazu lediglich die Mittel für eine kommerzialisierbare Software, die Weiterentwicklung der automatisierten Messtechnik, ein Regelwerk und die Ausbildung des entsprechenden Personals zu organisieren, wie es in allen anderen sicherheitstechnisch relevanten Bereichen der Technik und Chemie üblich ist.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Verfahren zum Detektieren von Fehlstellen in Betonbauteilen Patentanmeldung 10 2006 027 132.7-52, Erteilungsbeschluss 18.11.09
- Darstellung des Verpresszustandes von Spannkanälen mit 3D-Ultraschallechoverfahren: Modellierung und Experiment. In: Berichtsband der DGZfP-Jahrestagung 2010, Erfurt, 10.-12. Mai 2010, BB 122-CD, Vortrag Mi.3.B.1, 12 Seiten
Krause, M., Mayer, K., Ballier, G., Friese, M., Mielentz, F. und B. Milmann
- Progress in ultrasonic tendon duct imaging. European Journal of Environmental and Civil Engineering, Vol. 15 (2011) 4, p. 461-485
Krause, M., Mayer, K., Friese, M., Milmann, B., Mielentz, F. and G. Ballier
- Ultraschallabbildung zur zerstörungsfreien Strukturbestimmung von Betonbauteilen mit Hilfe der `One-Way`-Wellengleichung. In: DGZfP (Hrsg.); Tagungsband zur DGZfP Jahrestagung 2011, Bremen, 30.05.-01.06.2011, Berichtsband 127-CD, Poster 66, 8 Seiten
Ballier, G., Krause, M. und K. Mayer
- Improvements on Tendon Duct Examination by Modelling and Imaging with Synthetic Aperture and One-Way Inverse Methods. In: Proceedings of the 18th World Conference on Non-Destructive Testing, Durban, South Africa, 16.- 20.04.2012, CD-ROM, 8 pages
Ballier, G., Mayer, K., Langenberg, K.-J., Schulze, S. and M. Krause
- Praktische und praxisnahe Untersuchung von Spannbetonbauwerken mit bildgebenden Ultraschallecho-Verfahren. In: Tagungsband der DGZfP-Jahrestagung, 06.-08.05.2013, Dresden
Schulze, S., Krause, M. und K. Mayer
