Ultraschall- und Impact-Echo-Verfahren zur Zustandsuntersuchung von Spannkanälen

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1 DEUTSCHE GESELLSCHAFT FÜR ZERSTÖRUNGSFREIE PRÜFUNG Fachtagung Bauwerksdiagnose Praktische Anwendungen Zerstörungsfreier Prüfungen Januar 1999 in der Neuen Messe München DGZfP-Berichtsband 66-CD Vortrag 6 Ultraschall- und Impact-Echo-Verfahren zur Zustandsuntersuchung von Spannkanälen J. Krieger, Bergisch-Gladbach Abstrakt Im Rahmen eines Forschungsprojektes der Bundesanstalt für Straßenwesen wurden zerstörungsfreie Prüfverfahren, die sich zur Untersuchung von Betonbrücken eignen, mit dem Ziel untersucht, die Leistungsfähigkeit der derzeit verfügbaren Echo- Verfahren im Hinblick auf die Zustandsanalyse von Spanngliedern zu bewerten. Die Untersuchungen erfolgten an Probekörpern, die definierte Fehlstellen aufwiesen. Zum Einsatz kamen Impuls-Radar, Ultraschall-Echo z.t. unter Einbeziehung von Rekonstruktionstechniken sowie Impact-Echo. Im Rahmen des Beitrages werden die mittels Ultraschall und Impact-Echo erzielten Ergebnisse dargestellt und unter dem Aspekt der Anwendbarkeit im Massivbrückenbau bewertet. 1 Einleitung Das Fernstraßennetz der Bundesrepublik Deutschland enthält derzeit Brückenbauwerke, wobei der Anteil der Spann- und Stahlbetonbauwerke bei ca. 91 % ( Spannbetonbauwerke, Stahlbetonbauwerke) des Gesamtbestandes liegt. Diese Bauwerke wurden im Verlauf der letzten Jahre einer stark erhöhten Beanspruchung infolge ansteigenden Verkehrs, steigender Achslasten und Fahrzeuggesamtgewichte ausgesetzt. Dies führt dazu, daß künftig von einem Anstieg der Aufwendungen für die Erhaltung dieser Bauwerke ausgegangen werden muß. Im Zusammenhang mit knapper werdenden Haushaltsmitteln ist es deshalb erforderlich, Erhaltungsmittel dort einzusetzen, wo der größtmögliche Nutzen entsteht. Das Leitziel einer Erhaltungsstrategie wird nach Schmuck [1] wie folgt definiert: "Erhaltung eines optimalen Straßenzustandes, d.h. eines Zustandes, der dem potentiellen Nutzer einen höchstmöglichen Gebrauchswert bei gleichzeitig minimalen gesamtwirtschaftlichen Kosten und höchstmöglicher Umweltverträglichkeit gewährleistet". Das Bundesministerium für Verkehr beabsichtigt, diese Erhaltungsstrategie mittelfristig durch den Einsatz eines einheitlichen Bridge-Management-Systems (BMS) für Aufgabenstellungen des Bundes und der Länder zu unterstützen. Wesentliche Module eines BMS stellen die Erfassung und Bewertung des DGZfP-Berichtsband 66-CD: Vortrag 6 59

2 Bauwerkszustandes sowie die Berücksichtigung von Zustandsentwicklungen dar (vgl. Bild 1). Zur Erfassung des Bauwerkszustandes sind in der Bundesrepublik Deutschland regelmäßige Inspektionen aller Ingenieurbauwerke nach DIN 1076 [2] vorgeschrieben. Im Rahmen dieser Bauwerksprüfungen nach RI-EBW-PRÜF [3] werden umfangreiche Daten über Schäden an Brücken und anderen Ingenieurbauwerken erhoben. Hierbei kommen derzeit nahezu ausnahmslos visuelle Methoden zum Einsatz. Diese Vorgehensweise hat den Nachteil, daß Schäden zum Teil erst dann festgestellt werden können, wenn sie ein fortgeschrittenes Stadium erreicht haben und von außen sichtbar sind. Aus diesem Tatbestand ergibt sich ein Bedarf an Prüfverfahren, mit deren Hilfe von außen nicht sichtbare Schwachstellen bereits erkannt werden können, bevor schwerwiegende Schäden am Bauwerk auftreten. Hierzu sind Verfahren der Zerstörungsfreien Prüfung (ZfP) in besonderer Weise geeignet [4, 5, 6, 7, 8]. Wünschenswert sind dabei Verfahren, die sowohl vom Zeit- als auch vom Kostenaufwand her im Rahmen der regelmäßigen Brückenprüfungen angewendet werden können, quantifizierbare Größen zur Beschreibung des Zustandes von Ingenieurbauwerken liefern und damit im Rahmen eines BMS Verwendung finden können [9, 10]. Ein weiterer wichtiger Grund, sich speziell im Brückenbau intensiv mit der Anwendung von Verfahren der ZfP auseinanderzusetzen, liegt in der Altersstruktur der Bauwerke begründet. In Bild 2 ist die Anzahl der Brücken an Bundesfernstraßen - getrennt für Junge und Alte Bundesländer - sowie die Summenlinie in Prozent dargestellt [11]. Es wird deutlich, daß in den Jahren 1970 bis 1980 sehr viele Bauwerke (insbesondere Spannbetonbauwerke) entstanden. Weiterhin zeigt das Bild, daß mehr als 50 % aller Brücken an Bundesfernstraßen vor 1969 gebaut wurden und damit älter als 30 Jahre sind. Routinemäßige Datenerfassung Bestandsdaten Schadensdaten Erhaltungsdaten Bauwerksdaten Verkehrsdaten Unfalldaten Kostendaten D a t e n b a n k Operative Merkmale Kosten Betreiber Benutzer Zustand Betriebsbezogene Eingaben Mittel, Zwänge, Mindestbed. Zustandsentwicklung Analyseprozess Ausgaben Bedarf, Vorhersagen, Optionen, Kosten Durchführbare Maßnahmen Bild 1: Grobstruktur eines BMS Technische Eingaben DGZfP-Berichtsband 66-CD: Vortrag 6 60

3 6.000 Junge Bundesländer Alte Bundesländer Summe [%] 100, ,00 $Q]DKO ,00 6XPPH ,00 0 XQEHNDQQW ELV 0,00 Jahr Bild 2: Altersstruktur der Brücken an Bundesfernstraßen Über das Alter, das diese Bauwerke erreichen werden, lassen sich keine genauen Aussagen treffen. Es kann jedoch davon ausgegangen werden, daß die Brücken infolge der ständig zunehmenden Beanspruchung durch den Schwerverkehr eine Reduzierung der ursprünglich geplanten Lebensdauer erfahren werden. Zusätzlich muß aufgrund vorliegender Einzelfälle davon ausgegangen werden, daß bestehende Bauwerke "verborgene" Mängel aufweisen, die sich erst nach einer bestimmten Nutzungsdauer bemerkbar machen. Bei der Zustandsuntersuchung von Massivbrücken kommt der Lokalisierung von Lage und Ausmaß von Fehlstellen eine besonders große Bedeutung zu, da hier unter Umständen die Standsicherheit der Bauwerke berührt werden kann. Fehlstellen ergeben sich meist durch nur teilweise verpreßte Hüllrohre oder durch unzureichende oder falsche Verdichtung. Die Auswirkungen dieser Mängel werden meist erst nach längerer Nutzung der Bauwerke sichtbar und verursachen sehr hohe Instandsetzungskosten. Aus diesem Grund wurde die Leistungsfähigkeit zerstörungsfreier Prüfverfahren zur Lokalisierung von unter der Oberfläche verborgenen Fehlstellen im Rahmen verschiedener Forschungsvorhaben durch die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) untersucht [8, 12]. 2. Aufgabenstellung und methodisches Vorgehen Im Rahmen eines dieser Forschungsvorhaben [12,13] wurden verschiedene zerstörungsfreie Prüfverfahren, die sich zur Untersuchung von Betonbrücken eignen, vergleichend eingesetzt. Da die Materialeigenschaften von Beton selbst bei identischer Rezeptur sehr unterschiedlich sein können, wurde der Vergleich als Ringversuchsreihe konzipiert, an der neben der BAM Arbeitsgruppen aus verschiedenen Institutionen teilnahmen (vgl. Tab. 1). Im Rahmen dieses Beitrages werden die Ergebnisse der Ultraschall- und Impact-Echo-Verfahren einschließlich DGZfP-Berichtsband 66-CD: Vortrag 6 61

4 entsprechender Rekonstruktionsverfahren vorgestellt, wobei auf folgende Aspekte eingegangen wird: Ortung von Verdichtungsmängeln außerhalb von Hüllrohren Ortung von Verpreßfehlern in Hüllrohren Ortung von Verdichtungsmängeln im Beton Nr. Methode Verfahren Arbeitsgruppe Abkürzung 1 Ultraschall-Echo Impuls-Echo mit A-Bild-Darstellung Krautkrämer AG, Hürth US-A-Scan 2 Bistatische Messung mit Array TH Darmstadt US-Array und Pulskompression 3 Impuls-Echo mit B-Bild-Darstellung Universität Dortmund US-B-Scan 4 Impuls-Echo mit B-Bild-Darstellung MFPA Thüringen, Weimar US-LSAFT und LSAFT Rekonstruktion 5 Bistatische Messung mit flächiger synthetischer BAM, Berlin US-3D Apertur und Laservibrometer als Sensor 6 Rekonstruktion der Daten aus 5 mit 3D-SAFT Fraunhofer IZFP, Saarbrücken 7 Impact-Echo Simulation der Ausbreitung elastischer Wellen Fraunhofer IZFP; EADQ, Dresden I-E-1 nach mechanischer Pulsanregung FMPA Baden-Württemberg I-E-2 Tab. 1: Meßverfahren und Arbeitsgruppen Als Untersuchungsobjekte wurden durch die BASt zwei Probekörper aus Beton B 45 mit Abmessungen von 2,0 m x 1,5 m x 0,7 m konzipiert. Diese Probekörper enthalten metallische Hüllrohre bei einer Betonüberdeckung von 200 bis 300 mm mit Verpreßfehlern unterschiedlicher Größe sowie Bereiche unzureichender Verdichtung um die Hüllrohre. Die beiden Probekörper weisen insgesamt vier Bereiche mit unterschiedlich starker schlaffer Bewehrung auf (keine, ein- und mehrlagig). Bild 3 zeigt den Bauplan des Probekörpers I mit den beiden Hüllrohren und den Fehlstellen im Beton (F1 bis F8). Der Bereich 1 wurde ohne schlaffe Bewehrung, der Bereich 2 mit einem Bewehrungsraster von 150 mm ausgeführt. Die Bewehrungsstäbe haben einen Durchmesser von 12 mm; zusätzlich sind an den Rändern des Probekörpers konstruktiv Bügel angeordnet. Die Eigenschaften des Betons (Festigkeitsklasse B45, Größtkorn 16 mm, Luftporengehalt ca. 5%) und die Anordnung der Hüllrohre entsprechen damit Bedingungen wie sie im Massivbrückenbau in der Praxis üblich sind. Beide Probekörper wurden liegend, unter Verwendung einer Betoplan-Schalung betoniert. Dies hat zur Folge, daß jeweils eine Fläche der Probekörper glatt (Seite A) und die andere Seite rauh (Seite B) ist. Vor der Durchführung der Messungen wurden beide Probekörper mit einem Raster (10 x 10 cm) versehen. Bild 3 zeigt das Koordinatensystem des Probekörpers I, bezogen auf die rauhe Seite (Seite B). DGZfP-Berichtsband 66-CD: Vortrag 6 62

5 Bild 3: Ansicht des Probekörpers I von der Seite B gemäß Bauplan (rauhe Seite) In vorausgegangenen Versuchsreihen konnte gezeigt werden, daß mit Radar- und Ultraschall-Verfahren metallische Hüllrohre mit guter Genauigkeit ortbar sind [14]. Da das Radar-Verfahren deutlich schneller anzuwenden ist als die akustischen Verfahren, wurden beide Probekörper zunächst vollflächig mit Radar untersucht. Um den Meßaufwand der akustischen Verfahren (Ultraschall und Impact-Echo) zu reduzieren, wurden die anhand der Radarmessungen gewonnenen Erkenntnisse zur Lage der Hüllrohre allen nachfolgenden Arbeitsgruppen bekanntgegeben. Der Aufwand für die Durchführung der Messungen an den beiden Probekörpern wurde je Verfahren auf drei bis vier Tage begrenzt. Da eine vollflächige Untersuchung in dieser Zeit für die akustischen Verfahren noch nicht realistisch ist und dennoch eine größtmögliche Vergleichbarkeit der Ergebnisse erreicht werden sollte, lag der Schwerpunkt der Versuchsreihe auf der Untersuchung der Hüllrohre. 3 Ultraschall- und Impact-Echo-Verfahren Die Ultraschall- und Impact-Echo-Messungen erfolgten durch insgesamt acht Arbeitsgruppen (vgl. Tabelle 1). Die Auswahl der an der Ringversuchsreihe beteiligten Ultraschall-Verfahren erfolgte so, daß sämtliche aktuell in der Anwendung und Weiterentwicklung befindlichen Ansätze vertreten sind. Damit reicht die Bandbreite von der monostatischen Ultraschall-Impulstechnik mit manueller Technik über die Verwendung eines Prüfkopfarrays bis zu manuell und automatisch scannenden Systemen. DGZfP-Berichtsband 66-CD: Vortrag 6 63

6 Nachfolgend werden die eingesetzten Verfahren kurz beschrieben. Die Numerierung entspricht der Aufstellung in Tabelle 1. Impuls-Echo-Verfahren mit Analyse von A-Bildern im Frequenzbereich von 50 bis 500 khz (kommerzielles Ultraschall-Gerät USD10NF, Krautkrämer GmbH & Co.): Impuls- Echo mit getrennten Sende- und Empfangsprüfköpfen auf einer Seite des Probekörpers. Impuls-Echo Verfahren mit getrennten Sende- und Empfangspositionen: Verwendung eines Arrays, bestehend aus sieben Prüfköpfen im Frequenzbereich von 80 bis 250 khz; Ankopplung mittels Schnellzement; Auswertung durch Berechnung der Korrelationsfunktion zwischen Sende- und Empfangssignal [15]. Impuls-Echo-Verfahren mit Analyse von B-Bildern im Frequenzbereich von 50 bis 250 khz (kommerzielles System Ing. Büro W. Hillger NFUS 2300): Filterung des Empfangssignals mittels eines speziell auf die Gegebenheiten von Beton abgestimmten Tiefpaßfilters mit einstellbarer Grenzfrequenz [16]. Aufnahme von A-Bildern entlang einer linearen Apertur (kommerzielles System Ing. Büro W. Hillger NFUS 2700), speziell entwickelte Auswertesoftware: A-/ B- Scans online, LSAFT-Analyse offline (LSAFT: Linear Synthetic Aperture Focusing Technique) [17]. Aufnahme von Impuls-Echo A-Bildern (Sender und Empfänger getrennt) entlang einer zweidimensionalen synthetischen Apertur (BAM Berlin): manuelle Datenaufnahme (ca. 100 Punkte) sowie automatische Aufnahme großer Datensätze (ca Punkte) mittels eines scannenden Laser-Vibrometers als Empfänger [18]. Dickenmessung auf der Grundlage laufzeitkorrigierter Überlagerung. Auswertung der Ergebnisse mit Laser-Vibrometer (Nr. 6) mit dreidimensionaler Rekonstruktionsrechnung (3D-SAFT) [18, 19]. Impact-Echo-Verfahren: Frequenzanalyse von Vielfachreflexionen nach mechanischer Pulsanregung [20]. 4. Ergebnisse 4.1 Ultraschall-Echo Bereits bei den vorab durchgeführten Radarmessungen wurde festgestellt, daß - bedingt durch die engmaschige Betonbewehrung des Probekörpers II - eine Lokalisierung der Hüllrohre nicht möglich war. Die nachfolgend beschriebenen Ergebnisse beziehen sich deshalb auf den Probekörper I. Bauteildicke Alle eingesetzten Ultraschall-Verfahren konnten die Dicke des Probekörpers mit ausreichender Genauigkeit bestimmen. Hierdurch konnten die Ergebnisse einer vorhergehenden Versuchsreihe [14] bestätigt werden. Auch die Hüllrohrortung im bewehrungsfreien Teil des Probekörpers I war mit allen Ultraschall-Verfahren erfolgreich. DGZfP-Berichtsband 66-CD: Vortrag 6 64

7 Tiefenlage des Hüllrohrs Mittels der Ultraschall-Messungen wurde festgestellt, daß die Tiefenlagen der Hüllrohre - bezogen auf die rauhe Seite des Probekörpers (Seite B) bis 350 mm (oberes Hüllrohr) und 330 mm (unteres Hüllrohr) betragen und damit näher an der rauhen Oberfläche als durch den Konstruktionsplan vorgegeben (350 bis 370 mm) liegen. Die bildgebenden Verfahren US-LSAFT und US-3D weisen von der glatten Seite (A) aus übereinstimmend nach, daß das Hüllrohr nicht exakt parallel zur Oberfläche verläuft und in der Vertikalen T mit 230 mm den geringsten Abstand von der Oberfläche erreicht. Einen ähnlichen Verlauf des Hüllrohrs im bewehrungsfreien Bereich weist auch US-A-Bild mit den punktweise im Abstand von 100 mm aufgenommenen Daten nach (vgl. Bild 4). A B C D E F G H I J K L M N O P Q R S T U glatte Seite Bild 4: Tiefenlage des oberen Hüllrohrs (US-A-Bild), Probeköper I (Seite B) Im bewehrten Teil des Probekörpers I wurden mit US-A-Bild und US-3D der Tiefenverlauf der Hüllrohre und mit US-LSAFT die Tiefe an einem Punkt bestimmt. Bei den anderen Verfahren ist der Einfluß der Bewehrung so groß, daß keine Aussage zur Hüllrohrtiefe getroffen werden konnte. Zur Bestimmung der Tiefenlage der Hüllrohre mittels Ultraschall-Verfahren ist festzustellen, daß die Genauigkeit der Bestimmung der Betonüberdeckung der Hüllrohre für die baupraktische Anwendung ausreicht. Ortung von Hohlstellen und Verdichtungsmängeln in den Spannkanälen des Probekörpers I Gemäß Konstruktion enthalten die beiden Hüllrohre jeweils drei Hohlstellen und einen Verdichtungsmangel um das Hüllrohr (vgl. Bild 3). Den einzelnen Arbeitsgruppen wurden vor Durchführung der Messungen lediglich die Ergebnisse der Radar- Messungen bekanntgegeben. In Bild 5 sind die mittels US-A-Bild, US-LSAFT und US-3D erzielten Ergebnisse zur Lage der Fehlstellen in bzw. um die Hüllrohre zusammen mit der Lage der Fehlstellen dargestellt. Die Lage der Fehlstellen wurde dabei nach Abschluß aller Messungen an Probekörper I zerstörend bestimmt. Gegenüber dem Bauplan (Bild 3) stellten sich dabei geringfügige Abweichungen und zwei nicht geplante Ablösungen (H7 und H8) heraus. DGZfP-Berichtsband 66-CD: Vortrag 6 65

8 Bild 5: Ergebnisse der Ultraschall-Messungen, Probekörper I (Seite B) Die erzielten Ergebnisse lassen sich wie folgt zusammenfassen: Es zeigt sich, daß aus den Ergebnissen zahlreiche korrekte Angaben zu den Defekten abzuleiten sind, die in ihrer Deutlichkeit jedoch noch nicht zur vollständigen Lokalisierung aller Fehlstellen ausreichen. Im oberen Hüllrohr wird der Verdichtungsmangel K1 mit US-A-Bild richtig angegeben, die benachbarten Meßpunkte bestätigen diese Deutung allerdings nicht. Hier stellt sich der bei dieser Punktmeßtechnik gewählte Abstand von 100 mm als zu groß für die Interpretation heraus. Die Ergebnisse der Messung mit US-3D identifizieren die Hohlstelle H5 bei GH7 mit einer Abweichung von 30 mm richtig [18]. Die Fehlstelle H4 (Verpreßfehler) wird mittels US-LSAFT identifiziert. Die Interpretation erfolgt aus der Intensität der Rückstreuung; eine Angabe der Art der Fehlstelle wird nicht gegeben. Ein Teil des Verdichtungsmangels K2 wird richtig und ein Teil als Hohlstelle interpretiert (US-3D, US-LSAFT). Auch in den US-A-Bild Ergebnissen findet sich eine Bestätigung für diesen Verdichtungsmangel; die sonst deutlich vorhandenen Hüllrohrreflexe verschwinden in diesem Bereich. Die Lage der mit US-3D interpretierten Hohlstelle bei K2 stimmt jedoch mit der des eingebauten Verdichtungsmangels überein, wenn man sie mit dem als solchen interpretierten benachbarten Bereich verbindet. Die Fehlinterpretation entsteht DGZfP-Berichtsband 66-CD: Vortrag 6 66

9 wahrscheinlich durch die Tatsache, daß der Verdichtungsmangel mit einer Kunststoff-Folie realisiert wurde, die zu einer gerichteten Reflexion führt. Von einem realen Verdichtungsmangel wäre das nicht zu erwarten. Aus dem Vergleich der Daten von Seite A und B des Probekörpers gelingt eine Angabe der Hüllrohrdicke (US-A-Bild, US-LSAFT). Die im Randbereich eingebauten Fehlstellen können mit dem Verfahren wahrscheinlich deshalb nicht gefunden werden, da sie nur aus einer Richtung beschallt werden konnten, was durch die Begrenzung des Probekörpers bedingt ist. Ein ausgedehnter Verdichtungsmangel wird mit US-3D und US-A-Bild im Bereich von D bis F vorausgesagt. Nach dem Kriterium, daß der Hüllrohrreflex in diesem Fall verschwindet, ist die Zuordnung eindeutig. Dieser Verdichtungsmangel konnte jedoch anhand der Ergebnisse der zerstörenden Prüfung des Probekörpers nicht verifiziert werden. Die beiden schmalen nicht geplanten Ablösungen (H7, H8) konnten mit den Blindversuchen nicht geortet werden. Bei einer nachträglichen Betrachtung der Ergebnisse mit Kenntnis der Ablösungen ergeben sich jedoch Hinweise auf diese Fehlstellen in den Auswertungen von einigen Ultraschall-Echo-Messungen (siehe z.b. [21]). Zusammenfassend kann festgestellt werden, daß Verfahren mit anschließender Rekonstruktionsrechnung grundsätzlich in der Lage sind, Fehlstellen im und Verdichtungsmängel um das Hüllrohr ortsgenau vorherzusagen. Die Genauigkeit der Vorhersage genügt dabei den baupraktischen Anforderungen. Weiterhin ist festzustellen, daß Punktmessungen mit US-A-Bild ebenfalls eine Zuordnung der Fehlstellen im A-Bild ermöglichen (Bild 6). Bild 6: US-A-Bild, Verdichtungsmangel K2 DGZfP-Berichtsband 66-CD: Vortrag 6 67

10 Ortung von Kiesnestern (Fehlstellen außerhalb der Hüllrohre) Eine genaue Ortung einzelner Fehlstellen (F1 bis F8, vgl. Bild 3) war aufgrund der zu geringen Abmessungen von 50 x 50 mm mit keinem der beteiligten Ultraschall- Verfahren möglich. Lediglich die Fehlstelle F7 konnte mit US-A-Bild und US-LSAFT, wenn auch mit einer lateralen Abweichung von etwa 40 mm, nachgewiesen werden. Erschwerend für die Ortung erwies sich, daß der für die Aufhängung der Fehlstellen verwendete Stabstahl zusätzlich als Streuzentrum wirkt. Betrachtet man jedoch die Fehlstellen F1 bis F4 und F5 bis F8 je als einen zusammenhängenden größeren geschädigten Bereich, so ist dessen Nachweis mit den erwähnten Verfahren möglich. Die Kombination der Ergebnisse der unterschiedlichen Verfahren führte dazu, daß bestimmte Ergebnisse (unter Einbeziehung derjenigen der Impact-Echo-Verfahren, vgl. Abschn. 4.2), die einzeln betrachtet nicht signifikant genug für eine Vorhersage waren, im Zusammenhang zu richtigen Interpretationen führten. 4.2 Impact-Echo Im Rahmen der Untersuchungen kamen zwei Modifikationen des Impact-Echo- Verfahrens zum Einsatz, wobei es sich zum einen um ein kommerzielles Gerät (I-E-1) [22] und zum anderen um eine Eigenentwicklung (I-E-2) [23] handelte (vgl. Tab. 1). Beide Impact-Echo-Verfahren konnten ihre aus der Literatur bekannte Leistungsfähigkeit zur Dickenmessung unter Beweis stellen. Die Verifikation der durch die Radarmessung vorgegebenen Hüllrohrposition gelang mit diesen Verfahren nicht, also auch keine Aussage über den Verpreßzustand im oder Verdichtungmängel um das Hüllrohr. Dieses Ergebnis erscheint bei Kenntnis der in der Literatur berichteten Erfolge [22] - speziell bei der Spannkanalanalyse - zunächst erstaunlich. Möglicherweise erschwert die hier vorliegende realitätsnahe Hüllrohrtiefe (deutlich größer als der Durchmesser) den erfolgreichen Einsatz des Impact-Echo-Verfahrens. Die Fehlstellen F1 bis F4 im bewehrungsfreien Bereich des Probekörpers I werden von den beteiligten Impact-Echo-Verfahren in ihrer Gesamtheit geortet, ohne daß eine genaue Ortsangabe erfolgen kann (Bild 7). DGZfP-Berichtsband 66-CD: Vortrag 6 68

11 Bild 7: Ergebnisse der Impact-Echo-Messungen, Probekörper I (Seite B) 5 Zusammenfassung und Schlußfolgerungen In der beschriebenen Ringversuchsreihe wurden Ultraschall- und Impuls-Echo- Verfahren verglichen, die zur zerstörungsfreien Prüfung von Brückenbauwerken aus Spannbeton bei einseitiger Zugänglichkeit geeignet sind. Die Konstruktion der Probekörper und die Eigenschaften des Betons entsprechen häufig in der Praxis auftretenden Fällen. Im Rahmen der Ringversuchsreihe erfolgte eine vergleichende Bewertung für eine konkret vorliegende Aufgabenstellung. Die Versuchsreihe an den Probekörpern hat bestätigt, daß sich Ultraschall-Echo- Verfahren zur Untersuchung von Spannkanälen eignen, wobei eine Kombination mit Radar-Verfahren sinnvoll erscheint. Tab. 2 zeigt eine Zusammenstellung der erzielten Ergebnisse. Mit allen beteiligten Ultraschall-Verfahren konnte die Dicke der Probekörper und die Betondeckung im Bereich ohne schlaffe Bewehrung korrekt bestimmt werden. Im Blindversuch konnten die Ultraschall-Verfahren mit anschließender bildgebender Rekonstruktionsrechnung einige der gezielt eingebauten Hohlstellen und Verdichtungsmängel angeben. In einigen Fällen gelang die Ortung von Verdichtungsmängeln auch durch Ultraschall-Messungen mit A-Bild-Darstellung. DGZfP-Berichtsband 66-CD: Vortrag 6 69

12 Verfahren Bestimmung von Lage von Dicke Betonüberdeckung Hüllrohr Fehlstelle Verdichtungsmangel Bewehrungsabstand ohne 150 mm 75 mm Hüllrohr Beton US-A-scan Ja Ja Ja Nein Nein möglich US-Array Ja Ja möglich Nein Nein Nein US-B-scan Ja Ja Ja möglich möglich möglich US-LSAFT Ja Ja Ja möglich möglich möglich möglich US-3D Ja Ja Ja Ja möglich möglich I-E Ja Nein Nein Nein Nein Nein möglich Tab. 2: Zusammenstellung der Ergebnisse Das Impact-Echo-Verfahren konnte die aus der Literatur bekannte Leistungsfähigkeit zur Analyse von Spannkanälen hier nicht erfüllen. Eine zuverlässige Ortung von Fehlstellen gelang für die hier vorliegende Problemstellung, bei der die Hüllrohrtiefe wesentlich größer als deren Durchmesser ist, nicht. Die in die Probekörper eingebrachten Verdichtungsmängel mit Abmessungen von 50 x 50 mm konnten mit keinem der beteiligten Verfahren einzeln lokalisiert werden. Mit Impact-Echo und einigen der beteiligten Ultraschall-Verfahren wurde der Bereich der Verdichtungsmängel angegeben. Der Einfluß der engliegenden schlaffen Bewehrung des Probekörpers II auf die Ultraschall-Verfahren hat sich als störender herausgestellt als erwartet. Kombiniert mit der hier vorliegenden großen Hüllrohrtiefe und dem relativ hohen Luftporengehalt liegen damit Bedingungen vor, bei denen eine zuverlässige Analyse der Hüllrohre mit den zur Verfügung stehenden Verfahren derzeit noch nicht möglich ist. Der Aufwand, mit dem sich die Ultraschall-Ergebnisse erzielen lassen, ist je nach Verfahren unterschiedlich. Beim gegenwärtigen Stand der Entwicklung lassen sich noch keine abgesicherten auf die Fragestellung und die zu untersuchende Betonoberfläche bezogenen Kosten für die Messungen angeben. Qualitativ läßt sich sagen, daß sich die punktbezogenen Messungen (US-A-Bild) in wenigen Stunden durchführen lassen, wenn die Anzahl der zu untersuchenden Punkte nicht zu groß ist. Die aus diesen Messungen ablesbaren Werte, wie Bauteildicke und Betondeckung, sind dann sofort verfügbar. Die linien- bzw. flächenbezogenen Verfahren (US-LSAFT, US-3D) erfordern in der Regel einen mindestens halbtägigen Zeitaufwand für die Durchführung der Messungen, wobei das Ergebnis erst einer nachträglichen Rekonstruktionsrechnung zu entnehmen ist. Nach dem jetzigen Stand der Untersuchungen ist aber davon auszugehen, daß nur diese Verfahren die Perspektive einer Zustandsanalyse von Spannkanälen bieten. Mit dem Fortschritt der Rechnertechnologie und dem Entwickeln von problembezogener Software ist davon auszugehen, daß die Auswertung in naher Zukunft unmittelbar anschließend an die Messungen vor Ort erfolgen kann. DGZfP-Berichtsband 66-CD: Vortrag 6 70

13 6 Danksagung Allen an dem Ringversuch, den Rekonstruktions- und den Simulationsrechnungen beteiligten Arbeitsgruppen sei für ihre engagierte Mitarbeit gedankt (BAM, Berlin; FMPA Baden-Württemberg, Stuttgart; Fraunhofer IZFP Saarbrücken und Desden; HOCHTIEF AG, Frankfurt; Krautkrämer GmbH & Co., Hürth; MFPA an der Bauhausuniversität Weimar; TH-Darmstadt; Universität Dortmund; Universität Gh Kassel). 7 Literatur [1] Schmuck, A.: Straßenerhaltung mit System, Grundlagen des Managements, Kirschbaum Verlag, Bonn, [2] Ingenieurbauwerke im Zuge von Straßen und Wegen, Überwachung und Prüfung, DIN 1076, Ausgabe März [3] Richtlinie zur einheitlichen Erfassung, Bewertung, Aufzeichnung und Auswertung von Ergebnissen der Bauwerksprüfungen nach DIN 1076, Bundesministerium für Verkehr, Abteilung Straßenbau, Ausgabe [4] Studie zur Anwendung zerstörungsfreier Prüfverfahren bei Ingenieurbauwerken, Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung, Forschungsbericht 177, Berlin [5] Schickert, G., Schnitger, D. (Hrsg.): Zerstörungsfreie Prüfung im Bauwesen, Tagungsbericht ZfP Bau-Symposium 2. und 3. Oktober 1985, Berlin, DGZfP, Berlin [6] Schickert, G. (Hrsg.): Zerstörungsfreie Prüfung im Bauwesen, Tagungsbericht Int. ZfP Bau-Symposium 27. Februar März 1991, Berlin, BAM, DGZfP, Berlin [7] Schickert, G., Wiggenhauser, H. (Hrsg.): Non-Destructive Testing in Civil Engineering (NDT-CE), Int. Symposium, Berlin, Sept., [8] Krieger, J.: Anwendung von zerstörungsfreien Prüfmethoden bei Betonbrücken, Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe Brücken- und Ingenieurbau, Heft B9, September [9] Chase, S., B., Washer, G.: Nondestructive Evaluation for Bridge Management in the next century, Public Roads, July/August 1997, pp [10] Hadavi, A.: Incorporation of Nondestructive evaluation in Pontis Bridge Management System, Proc. Structural Materials Technology III, 31 March - 3 April 1998, San Antonio, Texas, pp [11] Statistik der Brücken und anderen Ingenieurbauwerken der Bundesfernstraßen; Bestandsentwicklung, Bundesministerium für Verkehr, Schreiben StB 25/ /63 Va 96 v. 26. April 1996, unveröffentlicht. [12] Krieger, J., Krause, M, Wiggenhauser, H.: Erprobung und Bewertung zerstörungsfreier Prüfmethoden für Betonbrücken, Berichte der Bundesanstalt für Straßenwesen, Reihe Brücken- und Ingenieurbau, Heft B18, März [13] Kause, M.; Krieger, J., M, Wiggenhauser, H.: Erprobung und Bewertung zerstörungsfreier Prüfverfahren für Betonbrücken, Bautechnik, im Druck. DGZfP-Berichtsband 66-CD: Vortrag 6 71

14 [14] Krause, M., Bärmann, R., Frielinghaus, R., Kretzschmar, F., Kroggel, O., Langenberg, K.J., Maierhofer, C., Müller, W., Neisecke, J., Schickert, M., Schmitz, V., Wiggenhauser, H., Wollbold, F.: Comparison of pulse-echo methods for testing concrete, NDT&E International, 30, [15] Jahnson, R., Kroggel, O., Ratmann, M.: Detection of Thickness, Voids, Honeycombing and Tendon Ducts using Ultrasonic Impulse-Echo-Technique, Proc. Int. Symp. Non-Destructive Testing in Civil Engineering, G. Schickert, H. Wiggenhauser (eds), DGZfP, Berlin, 1995, Vol 1, pp [16] Hillger, W.: Inspection of concrete by ultrasonic pulse-echo-technique, proc. of the 6th European Conf. On Non-Destructive Testing, Nice, 1994, pp [17] Schickert, M.: Towards SAFT-Imaging in Ultrasonic Inspection of Concrete, G. Schickert, H. Wiggenhauser (eds), Proc. Int. Symp. Non-Destructive Testing in Civil Engineering, Sept , DGZfP, Berlin, 1995, pp [18] Krause, M., Müller, W., Wiggenhauser, H.: Ultrasonic Inspection of Tendon Ducts in Concrete Slabs using 3D-SAFT, Acoustical Imaging 23, [19] Schmitz, V., Kröning, M., Langenberg, K.J.: Quantitative NDT by 3D Image Reconstruction, Acoustical Imaging 22, 1996, pp [20] Sansalone, M., Carino, N.: Detecting Delaminations in Concrete Slabs with and without Overlays using the Impact-Echo-Method, ACI Materials Journal 86, 1989, pp [21] Krause, M., Wiggenhauser, H., Müller, W., Kostka, J., Langenberg, K.J.: Ultrasonic bridge inspection using 3D-SAFT, in: Proceedings of the CIB World Congress 1998, Gävle, Schweden, Stockholm [22] Sansalone, M., Street, W.: Use of the Impact-Echo-Method and Field Instrument for Non-destructive Testing of Concrete Structures, Proc. Int. Symp. Non- Destructive testing in Civil Engineering, G. Schickert, H. Wiggenhauser (eds), Vol. 1, DGZfP, Berlin, 1995, pp [23] Grosse, C., Reinhardt, H.-W.: The resonance method - application of a new nondestructive technique which enables thickness measurements at remote concrete parts, Otto-Graf-Journal 3, 1992, pp DGZfP-Berichtsband 66-CD: Vortrag 6 72