Zerstörungsfreie Prüfung im Bauwesen und Probabilistik am Beispiel der statischen Nachrechnung von Ingenieurbauwerken

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1 Zerstörungsfreie Prüfung im Bauwesen und Probabilistik am Beispiel der statischen Nachrechnung von Ingenieurbauwerken Dr.-Ing. Sascha FEISTKORN Tel.: ) SVTI Schweizerischer Verein für technische Inspektionen, ZfP-Labor des Nuklearinspektorats, Wallisellen, Schweiz

2 Bildquellen:

3 Verfahrensstärken Radar Ultraschall Quelle: Taffe et. al., Beton- und Stahlbetonbau, 07/2012 Impact-Echo Wirbelstrom Sehr scharfe Darstellung einzelner Stäbe Sicht auch hinter Luftschicht Unempfindlich bei Beschichtung Große Eindringtiefe auch in dicht bewehrten Bereichen Sicht auch hinter Stahlplatte Gut geeignet zur Dickenmessung Robust bei dichter Bewehrung, sehr geringe Auflösung Bestimmung des Stabdurchmessers Betondeckung sehr präzise

4 Verfahrengrenzen Radar Ultraschall Quelle: Taffe et. al., Beton- und Stahlbetonbau, 07/2012 Impact-Echo Wirbelstrom Keine Sicht hinter dichte Bewehrung oder Stahlplatte Begrenzte Eindringtiefe (junger Beton) Keine Sicht hinter Luftschicht im µm- Bereich (!), z.b. Abdichtung, Dämmung Empfindlich gegen Beschichtung oder raue Oberfläche Bewehrung nicht darstellbar Hüllrohre nur durch Verschiebung der Rückwand Aussagen nur über oberste Bewehrungslage

5 Qualitative und Quantitative Prüfaufgaben Qualitativ: Quantitativ: Wie zuverlässig (Detektion ja oder nein)? Berechnung einer Wahrscheinlichkeit Beispiel: Spanngliedortung (Radar) bis zu einer Tiefe von a 90/95 = 32.4 cm (POD von 90% in 95 von 100 Fällen) Wie Genau (Metrische Grösse)? Berechnung einer Messunsicherheit Beispiel: Bauteildicke (Ultraschall) eines Fundaments von d = 56 ± 2.4 cm (erweiterte Standardabweichung 95%) Werkzeug: POD (ZfPBau: Heft 603) Radar: Beispiel für ein B-Bild (qualitativ) Werkzeug: GUM (ZfPBau: Heft 574) Ultraschall: Beispiel für ein B-Bild (quantitativ)

6 Probability of detection POD(a) a 90/95 =182 mm Zerstörungsfreie Prüfung im Bauwesen und Probabilistik Schritt 1: Leistungsfähigkeit/Grenzen - POD Grenzen der Detektion? POD! a 90/95 =18,2 cm 18 cm B-Bild (Radar) Feistkorn, S.: Gütebewertung qualitativer Prüfaufgaben in der zerstörungsfreien Prüfung im Bauwesen am Beispiel des Impulsradars (Heft 603 DAfStB) POD(a)-Kurve Reflektortiefe a in mm Dissertation angefertigt an der

7 Schritt 1: Leistungsfähigkeit/Grenzen - POD Voraussetzung: gültiges (â vs. a)-modell Feistkorn, S.: Gütebewertung qualitativer Prüfaufgaben in der zerstörungsfreien Prüfung im Bauwesen am Beispiel des Impulsradars Dissertation angefertigt an der

8 vom Modell zur POD(a)-Kurve Tiefe a 1 ~ 90% Detektionswahrscheinlichkeit der Reflektortiefe a 1

9 Detektionswahrscheinlichkeit a 1 erster Punkt der POD(a)-Kurve Detektionswahrscheinlichkeit der Reflektortiefe a 1

10 vom Modell zur POD(a)-Kurve Tiefe a 2 ~ 90 % 50 % Detektionswahrscheinlichkeit der Reflektortiefe a 2

11 Detektionswahrscheinlichkeit a 2 zweiter Punkt der POD(a)-Kurve Detektionswahrscheinlichkeit der Reflektortiefe a 2

12 vom Modell zur POD(a)-Kurve Tiefe a 3 ~ 90 % 50 % ~ 10 % Detektionswahrscheinlichkeit der Reflektortiefe a 3

13 Detektionswahrscheinlichkeit a 3 dritter Punkt der POD(a)-Kurve Detektionswahrscheinlichkeit der Reflektortiefe a 3

14 Ergebnis: POD(a)-Kurve sich ergebene POD(a)-Kurve

15 Detektionswahrscheinlichkeit POD(a) Detektionswahrscheinlichkeit POD(a) Detektionswahrscheinlichkeit POD(a) Zerstörungsfreie Prüfung im Bauwesen und Probabilistik Unterschiede in a 90/95, im elektr. Rauschen und in den Streuungen der â Radar System A3 Radar System B3 Radar System C2 15 cm 12 cm Dissertation angefertigt an der 18 cm Δ(a 10/95 -a 90/95 )= 3,3 cm ; â dec = 57,7 Δ(a 10/95 -a 90/95 )= 6,4 cm ; â dec = 164,2 Δ(a 10/95 -a 90/95 )= 3,4 cm ; â dec = 42,5 Reflektortiefe a in mm Reflektortiefe a in mm Reflektortiefe a in mm

16 Ergebnisse: A. Taffe, Heft 574 DAfStb Zerstörungsfreie Prüfung im Bauwesen und Probabilistik Schritt 2: Genauigkeit/Messunsicherheit "ideale Welt" d = v * t/2 d d v t Messgröße: t Umrechnungsgröße: v Zielgröße: d t / 2

17 Ergebnisse: A. Taffe, Heft 574 DAfStb Zerstörungsfreie Prüfung im Bauwesen und Probabilistik Schritt 2: Genauigkeit/Messunsicherheit "reale Welt" t t1 2 t ( ) t Mess d v v 2 t i... t... t f ( t) t m k 1 n j 1 Vorlauf t i, Messgerät t i, Anzeige t t i, Ursache, zufällig, k... Abs tan dsender/ Empfänger i, Ursache, systematisch, j i, Zeitachse t... i, Auswertung t t FormänderungSignal i, Baustoff t... i, Unebenheit t i, Rauigkeit...

18 GUM Vornorm SN ENV 13005: Ablaufschema nach GUM und Sommer

19 Beispiel einer quantitativen Prüfaufgabe (Dickenmessung mit Ultraschall) Streuung der Rückwandreflexion durch Ankopplung (Streuung bei der Messung) Variierende Betonqualität (unterschiedliche Verdichtung) Unplanmässige Dickenschwankungen Quelle: Taffe, Beton- und Stahlbetonbau, Heft 12/2008

20 Quelle: Taffe, Feistkorn: «Methoden zur Gütebewertung von ZfPBau-Verfahren» (Beton und Stahlbetonbau; Heft )

21 Beispiel für Bedarf: Brücken in Deutschland 70 % der Brücken älter als 25 Jahre (erste Brückenschäden bzw. Instandhaltungsmassnahmen) Stetige Verkehrszunahme Überladungen Gigaliner bis zu 60 Tonnen Änderung der Verkehrslast Nachrechnung von Brücken unter Berücksichtigung des aktuellen Zustands und bekannter Schäden rund Brücken (Bundesfernstrassen) rund Brücken (insgesamt) ca. 88 % der Brücken sind (vorgespannte) Stahlbetonbrücken Quelle: J. Naumann: «Bauwerksprüfung nach DIN 1076 Bedeutung, Verantwortung, Durchführung»

22 Schritt 3: ZfPBau für die Statische Nachrechnung Einwirkung S S Widerstand R R Forderung: R > S Messgrösse R muss grösser sein als eine streuende Mindestgrösse S ohne mit Transformation: Z = R S Grenzzustandsgleichung (R,S) = R S = 0 R Vorwissen über das Bauwerk Zusatzinformationen mit ZfPBau ZfPBau ZfPBau

23 Quelle: T. Braml, HFR Ingenieure

24 10 Spannkanäle Quelle: T. Braml, HFR Ingenieure

25 Quelle: T. Braml, HFR Ingenieure Festlegung der Prüfaufgaben für die ZfPBau

26 Mögliche Prüfaufgaben für die ZfPBau: Geometrieabmessungen Einfluss = 6% Lage der Spannglieder Einfluss = 12% Quelle: T. Braml, HFR Ingenieure

27 DIN EN 1990:2002 Anhang B Definition von Zuverlässigkeitsklassen über β und Verknüpfung von RC mit CC

28 Probability of detection POD(a) a 90/95 =180 mm Zerstörungsfreie Prüfung im Bauwesen und Probabilistik Zusammenfassung Schritte für die Verwendung der ZfPBau in statischen Nachrechnungen 1. Schritt - Verfahrensgrenzen POD für qualitative Prüfaufgaben Gütebewertung von ZfPBau Prüfsystemen Objektiver Vergleich von ZfPBau Prüfsystemen Auswirkung von Einflussgrössen 2. Schritt - Genauigkeit/MU GUM für quantitative Prüfaufgaben Bestimmung der Messunsicherheit Einfluss wichtiger Parameter auf das Gesamtmessunsicherheitsbudget 3. Schritt - statische Nachrechnung mit statistisch abgesicherten ZfPBau Ergebnissen Reflektortiefe a in mm POD(a)-Kurve