Zerstörungsfreie Prüfung von Betonbauteilen mit dem Impact-Echo-Verfahren

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1 Fachtagung Bauwerksdiagnose 2016 Poster 7 Zerstörungsfreie Prüfung von Betonbauteilen mit dem Impact-Echo-Verfahren Daniel ALGERNON, Sascha FEISTKORN, Michael SCHERRER SVTI - Schweizerischer Verein für technische Inspektionen, Nuklearinspektorat, Wallisellen, Schweiz Kontakt: Dr.-Ing. Daniel Algernon SVTI Schweizerischer Verein für technische Inspektionen Nuklearinspektorat, ZfP-Labor Tel.: , daniel.algernon@svti.ch Kurzfassung. Das Impact-Echo-Verfahren beruht auf der Nutzung elastischer Wellen. Es wurde in den 1980er Jahren für die Prüfung von Stahlbetonbauteilen entwickelt und ist derzeit weit verbreitet. Haupteinsatzgebiete sind die Bauteil- und Schichtdickenmessung sowie die Detektion von Delaminationen, Hohl- und anderen Fehlstellen. Insbesondere wird das Verfahren auch zur Prüfung des Verpresszustandes von Spannkanälen herangezogen. Eine weitere Anwendung ist die Bestimmung mechanischer Materialparameter wie dem Elastizitätsmodul. Seit der ursprünglichen Entwicklung hat das Verfahren verschiedene Weiterentwicklungen erfahren. Die Überführung von einem Einzelpunktmessverfahren hin zu einer flächigen Bauteilprüfung hat die Einsatzmöglichkeiten durch die optimierte Messdatenaufnahme und -auswertung vergrößert und eine wichtige Voraussetzung zur Erhöhung der Leistungsfähigkeit geliefert. Der Einsatz luftgekoppelter Sensoren erhöht nicht nur die Messgeschwindigkeit sondern liefert auch Vorteile bei rauen Bauteiloberflächen. Die bildgebende Auswertung in Verbindung mit Signalverarbeitungsalgorithmen vereinfacht die Interpretation und ermöglicht eine statistische Beurteilung. Durch die in den letzten Jahren erfolgte Erforschung der für das Verfahren typischen Geometrieeffekte lassen sich diese nun besser identifizieren und werden ansatzweise sogar bei der Materialparametermessung weiter genutzt. Durch die Implementierung des vorgestellten Forschungs- und Entwicklungsstandes in Software, welche für die Bedienung durch Praktiker geeignet ist, werden die neuen Möglichkeiten für den Einsatz am Bauwerk zugänglich gemacht. 1 Einführung Ziel dieses Beitrags ist es einen Einblick in den derzeitigen Entwicklungsstand des Impact- Echo-Verfahrens zu geben. Dazu soll einleitend die Entwicklungsgeschichte des Verfahrens umrissen werden um anschließend das Messprinzip zu verdeutlichen. Darauf aufbauend werden einzelne Aspekte in den Bereichen der Bildgebung, Grundlagenforschung und Sensorik beleuchtet um dann einige Anwendungsfälle und deren Besonderheiten anzusprechen. Abschließend soll der derzeitige Entwicklungsstand von Prüfausrüstungen beleuchtet werden, wie sie einerseits von Geräteherstellern serienmäßig vertrieben werden oder aber als Prototypen zu finden sind. Lizenz: 1

2 Entwicklungsgeschichte Die Impact-Echo-Methode wurde in den 1980er Jahren am National Bureau of Standards (NBS), das später in das National Institute of Standards and Technology (NIST) überführt wurde, entwickelt [1]. Motivation waren Bauteilversagen, die sich Ende der 1970er Jahre ereignet hatten und aus denen ein Bedarf an zerstörungsfreien Prüfverfahren für Beton deutlich wurde. Ultraschallprüfköpfe und -systeme, welche für den Einsatz an Betonkonstruktionen in der Praxis geeignet wären [2], waren zu diesem Zeitpunkt nicht bekannt. Die Nutzung elastischer Wellen wurde jedoch als sinnvoll erachtet, da diese durch die mechanischen Eigenschaften direkt beeinflusst werden. Demzufolge wurde ein Verfahren entwickelt [3], das bald unter dem Namen Impact-Echo bekannt wurde [4]. Die anschließende Weiterentwicklung und Erarbeitung einer theoretischen Basis fand in den 1990er Jahren vor allem an der Cornell University statt, und es wurden Leitfäden für den Einsatz in der Praxis erarbeitet [5]. Ein erstes kommerziell vertriebenes Impact-Echo- System [6] wurde erhältlich und eine Norm der American Society of Testing and Materials (ASTM) zur Anwendung des Verfahrens erschien erstmalig im Jahr 1998 [7]. Diese wurde in der Zwischenzeit mehrfach überarbeitet. Mit zunehmender Verbreitung der Methode, neuen Anwendungsfällen und wachsendem Nutzerkreis stiegen auch die Ansprüche hinsichtlich der Anwendung an komplexeren Bauteilen, insbesondere solchen mit ungünstigeren Geometrien. Hier wurden auch die Grenzen der Methode deutlich [8]. Forschung und Entwicklung hatten demzufolge zum Ziel, die Anwendungsgrenzen genauer zu definieren [9] und neue Wege der Anwendung aufzuzeigen. Der Weiterentwicklung im Bereich der Informationstechnik [10] folgend wurde insbesondere der Transfer des Verfahrens von einem punktuell am Bauteil angewendeten Verfahren zu einem scannenden und bildgebenden Verfahren vollzogen [11] [12]. Dadurch wurde die Aussagekraft der Ergebnisse deutlich erhöht und die Interpretation erleichtert. Nachdem die neue Anwendungsweise an Forschungsinstituten wie der Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM) erfolgreich entwickelt und angewendet wurde, ist letztlich auch die Implementierung in Geräten und Software erfolgt, welche für Anwender der Praxis in Form von kommerziellen Systemen [13] zugänglich sind. Die Erforschung neuer Signalverarbeitungsalgorithmen zur Extraktion des Nutzanteils von Impact-Echo-Signalen zielte auf eine weitere Verbesserung der Qualität von Impact-Echo- Signalen und insbesondere der Interpretierbarkeit. Durch den Einsatz von Mikrofonen [14] anstelle der traditionell eingesetzten Kontaktsensoren ist das Potenzial des Verfahrens deutlich gestiegen, da auf diese Weise berührungslose Messungen und somit sehr viel höhere Messgeschwindigkeiten ermöglicht werden, sowie das Problem der bislang schwierigen Ankopplung auf rauen Oberflächen gelöst wird [15]. Neuartige Mikrofontypen ermöglichen den Bau kostengünstiger und sehr effizienter Sensoren [16]. Messprinzip Impact-Echo ist ein akustisches Verfahren; es beruht auf der Auswertung mechanisch angeregter Wellen im Frequenzbereich [5]. Die Anregung erfolgt über eine kleine Stahlkugel, die impulsartig meist händisch oder aber über eine entsprechende Vorrichtung auf das Bauteil geschlagen wird. Die Wellen durchlaufen das Bauteil und werden an 2

3 akustischen Grenzflächen reflektiert. Eine solche ergibt sich beim Übergang zwischen Materialien unterschiedlicher Impedanzen Z: Z = ρ c L Gleichung 1 mit: Z: akustische Impedanz ρ: Dichte c L : Schallgeschwindigkeit als Geschwindigkeit elastischer Longitudinalwellen Der Reflexionsfaktor R (Verhältnis der Amplitude des reflektierten Anteils zur ursprünglichen Amplitude) sowie der Durchlässigkeitsfaktor D (Verhältnis der Amplitude der die Grenzschicht durchdringenden Welle zur ursprünglichen Amplitude) elastischer Longitudinalwellen an der Grenzfläche zwischen einem Material 1 und einem Material 2 errechnen sich zu: R L = Z 2 Z 1 Z 2 +Z 1 Gleichung 2 D = 2Z 2 Z 2 +Z 1 Gleichung 3 Bei Messungen mit dem Impact-Echo-Verfahren registriert ein nahe neben der Anregung platzierter Sensor die Einsätze an der Oberfläche. Durch die anschließende Transformation der aufgenommenen Zeitsignale in den Frequenzbereich wird beabsichtigt, die multiplen Reflexionen bzw. die entsprechende Bauteildickenresonanz als markante Anzeigen sichtbar werden zu lassen (Abbildung 1). Abbildung 1: Messprinzip des Impact-Echo-Verfahrens Die Umrechnung von Frequenz f zu Tiefe d erfolgt über die Schallausbreitungsgeschwindigkeit (Longitudinalwellengeschwindigkeit) c L, welche dafür bekannt sein bzw. geschätzt (näherungsweise 4000 m/s für Beton) werden muss. Die Tiefe d berechnet sich dann gemäß Gleichung 4: 3

4 d = β c L 2f Gleichung 4 mit β: Plattenwellenkorrekturfaktor c L : Longitudinallwellengeschwindigkeit f: Resonanzfrequenz Hierin ist β ein Korrekturfaktor zur Berücksichtigung der Geometrie des Testobjektes. Für unendlich breite Bauteile gilt β=1, für die allgemein plattenartige Bauteile wird nach [7] eine Korrektur mit β=0.96 empfohlen. Dieser Faktor wurde zunächst empirisch ermittelt und gilt heute durch [17] als theoretisch fundiert. Zwar suggeriert Gleichung 4 einen direkten Zusammenhang zwischen Frequenzanzeige f und Tiefe d, in der Praxis ist die Auswertung dennoch oft komplex. Die erwünschte Resonanz f gemäß Gleichung 4 wird dann von anderen Effekten überlagert [18]. Das können sehr ausgeprägte tiefe Frequenzen im Falle oberflächennaher Ablösungen oder auch Geometrieeffekte sein, welche aus Reflexionen an den Seitenwänden kompakter Bauteile resultieren. Die oben beschriebene Interpretation des Impact-Echo-Verfahrens als Analyse multipler Longitudinalwellenreflexionen (Resonanzen) stellt eine Vereinfachung dar. Neuere Ansätze basieren auf der Annahme von Platteneigenschwingungen [17]. 2 Bildgebung Die Aufnahme der Daten entlang eines Messrasters ist die Basis für die im Folgenden zusammengefassten Visualisierungstechniken. Durch die Darstellung der Daten in Form von Bildern wird die Auswertung beschleunigt und insbesondere die Interpretation deutlich vereinfacht [19] gegenüber der Auswertung von Signalkurven an Einzelmesspunkten. Impact-Echogramme in Form von scheibenartigen (tomographischen) B-, C- und D-Bilder Diese Form der Datenvisualisierung wird in vielen Bereichen der ZfP in Zusammenhang mit Volumenverfahren [20] verwendet, insbesondere bei der Ultraschallprüfung [21] [22]. Im Zusammenhang mit dem Impact-Echo-Verfahren werden die Daten zunächst in den Frequenzbereich transformiert, d.h. für jeden Messpunkt wird das Frequenzspektrum des aufgenommenen Zeitsignals ermittelt. Die Darstellung als Signalkurve wird als A-Bild bezeichnet [22]. Das Frequenzspektrum ist eine Darstellung von Amplitude A über Frequenz f und gibt somit für jeden diskreten Frequenzwert dessen Anteil im aufgenommen Signal an. Über Gleichung 1 wird jedem diskreten Frequenzwert f eine entsprechende Tiefe d zugeordnet. Dementsprechend lassen sich die Amplitudenwerte im Volumen bzw. entlang einer Querschnittsfläche darstellen. Über eine Farbtabelle werden den Amplituden dabei Farbwerte bzw. Graustufen zugeordnet. Das auf diese Weise gewonnene Bild entlang einer Messlinie wird in Anlehnung an die Ultraschall-Terminologie [22] als B-Scan bezeichnet. Ein X-Y-Schnittbild bei einer bestimmten Frequenz f, quasi senkrecht zum B-Scan, wird als C-Scan bezeichnet. Für einen B-Scan entlang einer Linie auf der Oberfläche senkrecht zur Messrichtung hat sich der Begriff D-Scan etabliert, auf die fehlende Konformität mit der Bezeichnung gemäß [22] sei hier nur am Rande hingewiesen. Exemplarisch zeigt Abbildung 2 eine B-Scan-Darstellung. 4

5 Abbildung 2: Exemplarisches B-Bild der Impact-Echo-Daten entlang einer Messlinie. Links daneben ist das A-Bild für eine ausgewählte Messposition dargestellt. Eine entsprechende C-Scan-Darstellung zeigt Abbildung 3. Dabei handelt es sich um die Darstellung eines (gemittelten) Frequenzbereiches 5.97 khz khz um die Dickenresonanz f des Bauteils herum. Planare Delaminationen werden hierin als Rückwandabschattungen sichtbar. Grund dafür ist, dass eine Delamination die Dickenresonanzfrequenz f verändert. Abbildung 3: Exemplarisches C-Bild über einen Frequenzbereich von khz. Die Abschattungen in der Rückwand werden durch die Fehlstellen erzeugt. Um das Verständnis der jeweiligen Bilder zu erleichtern, kann deren Darstellung im Volumen hilfreich sein, wie in Abbildung 4 gezeigt ist. B-Scan C-Scan D-Scan Abbildung 4: B-, C- und D-Scans, Darstellung im Volumen Bei B-, C- und D-Scans erfolgt somit eine Zuordnung zwischen Farbwert und Amplitude. Eine andere Form der Darstellung sind sogenannte Dickenplots. Dabei repräsentiert der jeweilige Farbwert einen Wert der Dimension Tiefe d. Praktisch bedeutet dies, dass innerhalb eines festgelegten Gate-Bereiches (obere und untere Grenze der in die Auswertung einzubeziehenden Frequenz- bzw. Tiefenachse) die maximale Amplitude A max 5

6 bei einer Frequenz f als f(a max ) gesucht wird. Dieser Frequenz f wird dann mittels der Farbtabelle ein entsprechender Farbwert zugeordnet im Messraster an den jeweiligen Messpunkt geplottet. Zusätzlich lassen sich die ermittelten Werte bzw. die gemäß Gleichung 4 bei einer bekannten Schallgeschwindigkeit c L damit korrespondierenden Tiefenwerte d auch dreidimensional im Volumen darstellen, wie exemplarisch in Abbildung 5 gezeigt ist. Abbildung 5: Dickenplot. Jedem Punkt entlang des Messrasters wird entsprechend der jeweils ermittelten Tiefe ein Farbwert gemäß einer Farbtabelle zugeordnet und als 3D-Plot im Volumen dargestellt. Um die Interpretation der Messdaten zu erleichtern und den Bezug zum Bauwerk bestmöglich herzustellen, können die Farbwerte auf Bauteilabbildungen wie Fotos oder Zeichnungen projiziert werden. Dazu müssen wie in Abbildung 6 gezeigt an Referenzpunkten des Bildes die jeweiligen Bauwerkskoordinaten zugeordnet werden [13]. Abbildung 6: Überlagerung mit Bauwerksabbildungen Links: Referenzpunkten im Bild werden Bauwerkskoordinaten zugeordnet. Rechts: Der Dickenplot wird mit der Abbildung des Bauwerks überlagert. 3 Grundliegende Untersuchungen und Erweiterung der theoretischen Basis Grundlagenforschung hinsichtlich der elastischen Wellenausbreitung im Zusammenhang mit dem Impact-Echo-Verfahren hat zum besseren Verständnis des Verfahrens beigetragen und geholfen, die Anwendbarkeit auf konkrete Fragestellungen und Randbedingungen in der Praxis genauer fassen zu können. 6

7 Insbesondere in Zusammenhang mit der oben beschriebenen Bildgebung ist die Bedeutung von Geometrieeffekten deutlich geworden, da diese sich im B-Bild als regelmäßige Muster klar abbilden Abbildung 7. Abbildung 7: Geometrieeffekte werden im B-Scan als regelmäßige Muster deutlich und können so identifiziert und bei der Auswertung berücksichtigt werden Dabei ist zu beachten, dass nur ein geringer Teil der über die Impact-Anregung in das Bauteil eingetragenen Energie auch als Longitudinalmode das Bauteil durchdringt [23], um ein Vielfaches höher ist jedoch der Anteil, der sich in Form einer Rayleigh-Welle entlang der Bauteiloberfläche ausbreitet [9]. Die Ursache dieser Effekte als Reflexionen insbesondere des Rayleigh-Wellenanteils an den Kanten des Bauteils [8] wurde experimentell nachgewiesen (Abbildung 8) [24] und durch Modellrechnungen [25] bestätigt. Abbildung 8: Experimentelle Visualisierung der elastischen Wellenausbreitung entlang der Oberfläche nach Impact-Anregung Die Prüfung der Richtigkeit der Interpretation und mathematischen Formulierung des Impact-Echo-Verfahrens als ein reines Longitudinalwellenverfahren ist Gegenstand weiterer Forschungsarbeiten gewesen. So hat die Erklärung des Verfahrens auf Basis von Plattenwellen (Lamb waves) bis dahin offene Fragen klären können und für eine höhere Übereinstimmung zwischen Messergebnissen und Theorie gesorgt [17]. 7

8 4 Kontaktlose Messung durch den Einsatz von Mikrofonen Eine kontaktlose Messung in Luftankopplung bietet erhebliche Vorteile für den Einsatz in der Praxis. So lässt sich durch die kontinuierliche Messung die Prüfgeschwindigkeit deutlich steigern und die Problematik rauer Oberflächen signifikant entschärfen. Der für das Impact-Echo-Verfahren messtechnisch relevante Frequenzbereich ist vergleichsweise tief. Die Voraussetzungen für den Einsatz berührungsloser Sensoren in Form von Mikrofonen sind somit gut. Die zu messenden Frequenzen beginnen bei etwa 1 khz und erstrecken sich bis näherungsweise 60 khz. Für eine volle Nutzung des Frequenzbereiches haben sich Mikrofone, wie z.b. das in Abbildung 9 gezeigte, bewährt. Abbildung 9: Luftgekoppelter Sensor für die kontaktlose Messung mit dem Impact-Echo-Verfahren Bezüglich der kontaktlosen Messung mit Mikrofonen besteht an Forschungseinrichtungen und Universitäten bereits Erfahrung [14] und aufgrund der klaren Vorteile wurde diese Anwendungsform auch von Geräteherstellern in ersten Systemen integriert [13]. Diese Art der Messung stellt dennoch eine gewisse Herausforderung dar. Ein Grund ist die geringe Amplitude, mit der das Nutzsignal an das Mikrofon gelangt. Die Welle muss dafür die akustische Grenzschicht von Beton zu Luft überqueren. Aufgrund des sehr großen Unterschiedes der Impedanzen Z 1 von Beton und Z 2 von Luft gemäß Gleichung 1 gelangt nach Gleichungen 2 und 3 nur ein sehr geringer Anteil in die Luftschicht und somit zum Mikrofon. Erheblich erschwerend kommt die vergleichsweise dazu sehr große Amplitude der direkten Luftwelle hinzu, welche auf direktem Wege zum Empfänger propagiert und ohne weitere Maßnahmen die Messung praktisch unmöglich machen würde. Lösbar wird dieses Problem erst durch eine Form der akustischen Abschirmung, wie rechts in Abbildung 10 dargestellt. Abbildung 10: Prinzip für den Einsatz von Mikrofonen als Impact-Echo-Sensoren. Ziel ist die Registrierung der im Bauteil reflektierten (weiß dargestellt) Welle, welche durch die Luft (blau dargestellt) zum Mikrofon gelangt. Störend (rot dargestellt) wirken dabei die direkte Luftwelle des Aufprallgeräusches sowie Umgebungsgeräusche (links). Durch eine akustische Abschirmung (rechts) lassen sich die Störeinflüsse verringern. 8

9 Soll jedoch eine tatsächlich berührungslose Messung in kontinuierlicher Bewegung erfolgen [15] und in Anbetracht einer rauen und u.u. unebenen Oberfläche, muss unter praktischen Gesichtspunkten ein Luftspalt zwischen der Abschirmung und der Betonoberfläche verbleiben, der die Effektivität der Abschirmung begrenzt. Zudem wird ein gewisser Anteil der direkten Luftwelle auch die Abschirmung durchdringen. Der dadurch unvollständigen Wirksamkeit der akustischen Abschirmung in der Praxis soll durch Hinzufügen eines weiteren ungeschirmten Mikrofons begegnet werden. Durch Vergleich der Signale mit und ohne Schirm wird in einem Algorithmus [26] der Einfluss der direkten Luftwelle identifiziert, isoliert und schließlich extrahiert. Abbildung 11: Ansatz zur Lösung der nur begrenzten Effektivität des akustischen Schirms durch Hinzufügen eines ungeschirmten Referenzmikrofons und Anwendung eines Algorithmus zur Identifikation, Isolation und Extraktion des Einflusses der direkten Luftwelle im Sinne eines Noise-Canceling. So gelingt es mit den genannten Lösungsansätzen Ergebnisse zu erzielen, die durchaus mit Kontaktsensoren vergleichbar sind und dabei die signifikanten genannten Vorteile hinsichtlich Prüfgeschwindigkeit und Oberflächenzustand bieten. Dies wird im nachfolgenden Beispiel an einem Betontestkörper demonstriert. Der Betontestkörper ist in Abbildung 12 gezeigt. In dessen Innern sind neben Bewehrungsstäben ein Hüllrohr sowie eine Polystyrolplatte eingebracht. Das Hüllrohr ist über seine halbe Länge mit Zementmörtel verpresst, über die andere Hälfte hingegen unverpresst. Abbildung 12: Betontestkörper vor und nach dem Betonieren. Darin enthalten sind neben Bewehrungsstäben ein Hüllrohr mit Stahllitzen im Innern sowie eine Polystyrolplatte nahe der Bauteilrückwand. Das Hüllrohr ist über die Hälfte seiner Länge mit Zementmörtel verpresst, die andere Hälfte ist unverpresst. Impact-Echo-Messungen wurden entlang paralleler Messlinien aufgenommen, welche das Hüllrohr senkrecht kreuzen. Die Messung erfolgt mit dem in Abbildung 9 gezeigten luftgekoppelten Sensor. Die erzielten Ergebnisse sind in Form eines Frequenz- bzw. Dickenplots, welcher zum einen mit dem Testkörperfoto überlagert ist (oben rechts) und zum anderen im Volumen dreidimensional geplottet ist. Die leichten Unterschiede in den Abbildungen 9

10 erklären sich dadurch, dass es sich um zwei unterschiedliche Messdurchgänge mit unterschiedlichen Messrastern und leicht veränderten Messparametern sowie Farbskalen handelt. Klar erkennbar ist in den Bildern die Lage des Hüllrohres, welches sich, gegenüber der regulären Rückwandanzeige im ungestörten Bereich des Testkörpers, bei tieferen Frequenzen respektive größeren Tiefen abbildet. Bemerkenswert ist dabei, dass zwei unterschiedliche Bereiche des Hüllrohres klar erkennbar sind, die sich jeweils genau über die halbe Länge erstrecken. Dabei handelt es sich um den unverpressten Bereich vorne im Bild und den verpressten Bereich im hinteren Teil des Bildes. Dies bedeutet, dass es im vorliegenden Fall am Testkörper gelungen ist, den Verpresszustand des Hüllrohres anhand von Impact-Echo-Messungen erfolgreich zu identifizieren. Darüber hinaus ist auch die Anzeige der Polystyrolplatte, welche eine verminderte Dicke bzw. Ablösung darstellt, klar erkennbar. Abbildung 13: Darstellung der mit Impact-Echo in Luftankopplung am Testkörper erzielten Ergebnisse in Form von Dickenplots. Darin wird nicht nur die Anzeige der rechteckigen Platte klar erkennbar, das Hüllrohr zeichnet sich deutlich ab und es kann klar zwischen verpresstem und unverpresstem Bereich unterschieden werden. 5 Entwicklung von Prüfausrüstungen Für das Impact-Echo-Verfahren waren lange Zeit zwar Systeme für Einzelpunktmessungen am Markt erhältlich, die neuen Entwicklungen in Richtung Bildgebung und Signalverarbeitung wurden jedoch vorwiegend durch Forschungsinstitute und Universitäten angewendet, die diese entwickelt haben. Diesbezüglich ist derzeit eine zunehmende Weiterentwicklung zu beobachten. Geräte und Software mit umfangreichen Visualisierungs- und Analysefunktionen werden gezielt für die Bedienung durch neue Anwender ausgelegt und von Geräteherstellern vertrieben. Ein wichtiger Aspekt dabei ist 10

11 auch das zunehmende Schulungsangebot, wodurch der kompetente Umgang mit dem Verfahren allgemein und dem entsprechenden System im Speziellen einem breiteren Anwenderkreis ermöglicht wird. Exemplarisch zeigt Abbildung 14 ein universelles System für die manuelle Anwendung in der Praxis [13]. Hierbei ist neben herkömmlichen Kontaktsensoren auch der Einsatz luftgekoppelter Mikrofone möglich, welche bei Bedarf auf einer rollenden Impactor-Vorrichtung montiert werden und so eine sehr schnelle Messwerterfassung ermöglichen. Ebenfalls ist das System für die Verarbeitung großer Datenmengen ausgelegt, wie sie durch die schnelle Messdatenaufnahme anfallen können. Die im Abschnitt 2 beschriebenen Formen der Datenvisualisierung sind komplett implementiert und bereits während der laufenden Messung interaktiv anwendbar. Durch eine intuitive Benutzeroberfläche und Touchscreen ist das System für Anwender leicht zugänglich und auf den Einsatz im Feld ausgelegt. Abbildung 14: Impact-Echo System MIRADOR mit umfangreichen Visualisierungsmöglichkeiten für universellen Feldeinsatz Bildquelle: Germann Instruments Der Entwicklungsfortschritt auf dem Gebiet der Automatisierung eröffnet zunehmende Möglichkeiten auch für die Nutzung in der Zerstörungsfreien Prüfung. Neben dem allgemeinen technischen Fortschritt ist jedoch vor allem hilfreich, dass der Wert von ZfP für die Instandhaltung und Diagnostik insbesondere von staatlichen Einrichtungen wie Straßenverwaltungen und -bundesämtern in den USA zunehmend erkannt wird. Dadurch werden Großentwicklungen wie das in Abbildung 15 dargestellte System RABIT der USamerikanischen Federal Highway Administration (FHWA) möglich. Dieses ist mit einer Vielzahl von ZfP-Verfahren ausgerüstet, darunter auch, in einer akustischen Einheit (Acoustic Array) angeordnet, das Impact-Echo-Verfahren. Durch die Kombination der Verfahren und durch die Applikation von Datenfusionstechniken wird die Aussagekraft der Prüfung hinsichtlich des Zustandes von Fahrbahnplatten maximiert. 11

12 Abbildung 15: Großformatiges ZfP-Scansystem RABIT der Federal Highway Administration (FHWA) in den USA Bildquelle: FHWA Speziell für die Anwendung an hohen und weiten vertikalen Flächen wie den Wänden von Kühltürmen oder Betoncontainments in der Kerntechnik hat das Electric Power Research Institute (EPRI) in den USA die Entwicklung des EPRI Concrete Crawlers (Abbildung 16) initiiert und geleitet [27]. Dieses System ist auf einer kommerziellen Robotereinheit aufgebaut, welche über ein pneumatisches Unterdrucksystem in Verbindung mit einem geeigneten Raupenfahrwerk in der Lage ist, auch vertikale und unebene Flächen sicher zu erklimmen [28]. Das System ist mit einer luftgekoppelten Impact-Echo-Einheit ausgerüstet, welche eine schnelle Messdatenaufnahme ermöglicht [29]. Insbesondere wurde hierbei auch die ebenfalls berührungslose Impact-Anregung erfolgreich demonstriert [30] [31]. Abbildung 16: Concrete Crawler des Electric Power Research Institute (EPRI) in den USA, zur Untersuchung vertikaler Betonflächen wie z.b. Kühltürmen und Betoncontainments von Kernkraftwerken. Ausstattung mit luftgekoppeltem Impact-Echo (unten rechts). Bildquelle: EPRI 12

13 6 Prüfaufgaben und Anwendungsbereich Gemäß seinem Messprinzip als Resonanzmessverfahren eignet sich Impact-Echo für Prüfaufgaben, bei denen die Resonanz einer entsprechenden Bauteilschicht messbar ist. Insbesondere trifft dies für die Dickenmessung breiter Bauteile zu, wie es z.b. für die Tunnelinnenschalen der Fall ist [32]. Bei ausreichender Breite wird der Einfluss von Seitenwandreflexionen, d.h. den oben beschriebenen Geometrieeffekten [8], eliminiert. Tatsächlich ist es jedoch so, dass viele der im Bauwesen anzutreffenden Betonbauteile eher kompaktere Dimensionen haben, so dass Geometrieeffekte als ein Teil des Verfahrens meist akzeptiert werden müssen. Exemplarisch zeigen Abbildung 17 und Abbildung 18 Ergebnisse von Messungen an kompakten Testkörpern [33]. Der Testkörper in Abbildung 17 hat dabei eine konstante Dicke von etwa 25 cm. Im B-Scan ist eine klare und kontinuierliche Anzeige bei etwa 8 khz erkennbar, welche gemäß Gleichung 4 der Bauteildicke zugeordnet werden kann. Darüber hinaus sind jedoch auch die aus den Seitenwandreflexionen resultierenden Geometrieeffekte ebenso deutlich erkennbar. Der Testkörper in Abbildung 18 verfügt hingegen über sehr kompakte Bereiche variierender Dicke. Im vertikalen B-Scan bzw. D-Scan sind die unterschiedlichen Dickenbereiche ebenfalls erkennbar, unterliegen jedoch aufgrund der kompakten Dimensionen einer erheblichen Streuung [34]. Ebenso sind auch hier die Geometrieeffekte gut erkennbar. Abbildung 17: Darstellung der an einem Testkörper konstanter Dicke (links) gewonnenen Messergebnisse in Form eines B-Scans (rechts). Hierin ist die Dickenanzeige klar erkennbar, ebenso die Geometrieeffekte, welche aus den Seitenwandreflexionen hervorgehen. Abbildung 18: Darstellung der Messergebnisse, welche an einem Testkörper mit stufenartigen Dickenänderungen (links) gewonnen wurden, in Form eines vertikalen B-Scans bzw. D-Scans (rechts). Die unterschiedlichen Dickenstufen sind grundsätzlich erkennbar, unterliegen aufgrund der kompakten Abmessungen jedoch einer deutlichen Streuung. 13

14 Neben Dickenmessungen stellt vor allem die Ortung von Delaminationen parallel zur Bauteiloberfläche ein Hauptanwendungsgebiet des Verfahrens dar. Liegen derartige Ablösungen in relativ großer Tiefe innerhalb des Bauteils, d.h. ist ihre Tiefe mindestens so groß wie ihre Breite, so gilt für die zu erwartende Frequenzanzeige weiterhin Gleichung 1. Für flache Delaminationen, d.h. derartige Ablösungen, deren Tiefe d deutlich kleiner als ihre Breite r ist, wird die Anzeige gemäß Gleichung 1 durch sehr hohe Amplituden bei tiefen Frequenzen überlagert, welche aus den sogenannten flexural vibration modes [5] hervorgehen. Diese Anzeigen sind somit ein deutlicher Indikator für Delaminationen. Die bereits zuvor gezeigten Dickenplot aus Abbildung 5 und Abbildung 6 sind Beispiele für derartige Messergebnisse und wurden an einem Testkörper der Bundesanstalt für Materialforschung und prüfung (BAM) mit sechs gezielt eingebrachten Trennschichten aufgenommen. Generell stellt die Ortung von Hohlstellen und stark inhomogener Bereiche im Betongefüge ein Anwendungsgebiet von Impact-Echo dar [35], jedoch hängen die hierbei erzielbaren Ergebnisse stärker von der Art und Ausprägung der Inhomogenität oder Hohlstelle sowie von den jeweiligen Randbedingungen ab als es für planare Delaminationen im Speziellen der Fall ist. Die mit der impulsartigen Impact-Anregung verbundene Ausbreitung unterschiedlicher Wellenmoden, insbesondere der Rayleigh-Wellenmoden neben den eigentlich genutzten Longitudinalwellenmoden, sind u.a. für die bei kompakten Bauteilen stark ausgeprägten Geometrieeffekte verantwortlich. Andererseits lassen sich diese unter der Voraussetzung geeigneter Extraktionsverfahren auch zur Berechnung unbekannter mechanischer Materialparameter nutzen. So stehen Elastizitätsmodul E, Rohdichte ρ und Poisson sche Querdehnzahl υ über die Gleichungen 5, 6 und 7 für Longitudinal-, und Rayleighwellengeschwindigkeiten c L und c R in Zusammenhang [36] [37]. mit E: Elastizitätsmodul ρ: Rohdichte υ: Querdehnzahl 1 υ = E ρ (1 + υ)(1 2υ ) c L Gleichung υ = 1+ υ 14 E 1 ρ 2(1 + υ) c R Gleichung 6 1 2ν c = 2 2ν R c L Gleichung ν Eine wichtige, angestrebte, jedoch bislang mit wechselndem Erfolg lösbare Prüfaufgabe [18], ist wohl die Detektion von Verpressfehlern im Innern metallischer Hüllrohre. Diese Aufgabe wurde bereits in den vorangegangenen Abschnitten, insbesondere in Abbildung 13 im Zusammenhang mit der luftgekoppelten Anwendung angesprochen, die eigentliche Problematik soll hier beschrieben werden. Grundlage dieser Prüfung ist die Annahme, dass bei Vorhandensein eines unverpressten Hüllrohres eine andere Resonanzfrequenz f gemessen wird als es bei einem vollständig verpressten Hüllrohr der Fall ist. Grundsätzlich ist in Versuchen an Testkörpern

15 und im Feld gezeigt worden, dass an Spannkanälen eine Verschiebung gegenüber der Dickenfrequenz gemäß Gleichung 1 hin zu tieferen Frequenzen zu beobachten ist. Dieser Effekt ist auch in Abbildung 13 zu beobachten. Ebenso haben Versuche an Testkörpern gezeigt, dass diese Frequenzverschiebung im Falle eines unverpressten Hüllrohres stärker ausfällt als für ein vollständig verpresstes Hüllrohr [11] [12]. Dieser Effekt ist auch in Abbildung 13 zu beobachten und macht die Unterscheidung zwischen den unterschiedlichen Verpresszuständen möglich. Allerdings ist zu bemerken, dass dieser Effekt den vollständigen Verbund ohne Ablösung zwischen Verpressmörtel und Hüllrohr voraussetzt. Wird diese Voraussetzung nicht erfüllt, ist auch die Unterscheidung nicht möglich. Neben dem relativen Vergleich der Frequenzverschiebungen entlang eines Hüllrohres zielt ein anderes in der Literatur zu findendes [5] [38] und traditionelles, obgleich diskutiertes [18], Kriterium der Verpressfehlerdetektion auf die Unterscheidung der direkten Longitudinalwellenreflexion am Hüllrohr. Demnach wird beim Vorhandensein eines Verpressfehlers von einer Reflexion am Lufteinschluss, bei vollständiger Verpressung hingegen von einer Reflexion am Spannstahl ausgegangen. Basierend darauf, dass die Impedanz Z von Luft deutlich kleiner als die von Beton ist, die Impedanz Z von Stahl jedoch höher als die von Beton, wird dieser Sachverhalt in [5] zur Unterscheidung herangezogen. Gemäß Gleichung 2 ergibt sich für Z 2 >> Z 1 ein Reflexionsfaktor von R -1, was eine um annähernd 180 verschobene Phasenlage der reflektierten Wellenform gegenüber der einfallenden Wellenform anzeigt. Aus diesem Sachverhalt wird dieser Theorie nach geschlossen, dass Gleichung 4 nicht mehr zutreffend ist und durch einen weiteren Parameter n ergänzt sich zu Gleichung 8 ergibt: d = β c L n f Gleichung 8 mit β: Plattenwellenkorrekturfaktor cl: Longitudinallwellengeschwindigkeit f: Resonanzfrequenz n: Faktor zur Berücksichtigung der Phasenlage (n=2 bei Luft, n=4 bei Stahl) Demnach würde bei der Reflexion an Luft, d.h. im Falle des unverpressten Hüllrohres, gelten n=2, für den Fall des vollständig verpressten Hüllrohres und demzufolge Reflexion am Stahl hingegen n=4. Obgleich dieser Zusammenhang in der traditionellen Literatur etabliert ist, ist er heutzutage umstritten. In [18] wird erklärt, dass der ursprüngliche Ansatz für die Reflexion an einer sehr dicken Stahlschicht zutreffen mag, für eine dünne Stahlschicht wie die Wanddicke eines Hüllrohres, jedoch zu vereinfacht sei. Grundsätzlich ist bei der Anwendung des Impact-Echo-Verfahrens zur Detektion von Verpressfehlern zu einer behutsamen und konservativen Vorgehensweise zu raten, die für den jeweils vorliegenden Fall zu erarbeiten ist. Ergänzend zu Abbildung 13 ist in Abbildung 19 ein weiteres Beispiel von einer Testkörpermessung ist in Abbildung demonstriert. Dieser Testkörper enthält zwei nebeneinander angeordnete Hüllrohre in gleicher Tiefe. Eines davon ist leer, das andere enthält Spannlitzen und ist mit Zementmörtel verfüllt. Die Messlinien kreuzen die beiden Hüllrohre senkrecht. Der resultierende B-Scan zeigt eine klare Verschiebung der Resonanz f hin zu tieferen Frequenzen im Falle des leeren Hüllrohres. Im Falle des verfüllten Hüllrohres ist hingegen eine klare Anzeige zu sehen, die bei einer Frequenz von etwa 10 khz liegt und damit näherungsweise einem Wert von n=4 gemäß Gleichung 8 bei einer Tiefenlage d des Hüllrohres von etwa 10 cm, einer angenommenen Longitudinalwellengeschwindigkeit c L = 4000 m/s und einem 15

16 Plattenwellenkorrekturfaktor von etwa β 1 entspricht. Somit liegt in diesem ausgewählten Fall eine annähernde Übereinstimmung mit Gleichung 8 und somit mit [5] vor. Abbildung 19: Erfolgreiche Unterscheidung zwischen verpresstem und unverpresstem Hüllrohr anhand der gemessenen Frequenz. Im Falle des unverpressten Hüllrohres erfolgt eine Verschiebung der gemessenen Frequenz hin zu tiefen Frequenzen, im Falle des verpressten Hüllrohres hingegen ist eine Anzeige bei einer höheren Frequenz zu erkennen, wobei eine Übereinstimmung mit [5] festzustellen ist. 7 Schlussfolgerung Diese Weiterentwicklung des Impact-Echo-Verfahrens seit seiner ursprünglichen Entwicklung in den 1980er Jahren geht u.a. einher mit neuen technischen Möglichkeiten zur Messdatenerfassung, Signalverarbeitung und Bildbearbeitung, die für das Verfahren genutzt wurden. Jedoch hat insbesondere auch die Erweiterung des theoretischen Fundamentes zunächst zum besseren Verständnis des Verfahrens und somit zu dessen Weiterentwicklung beigetragen. Obgleich das Verfahren vielen potenziellen Anwendern zunächst einfach erscheint, erweist es sich in der Praxis oft als komplex. Die zusammenhängende Auswertung der Messpunkte innerhalb von Messfeldern und bildgebende Darstellung erleichtert jedoch die Interpretation in vielen Fällen. Moderne Software versucht durch entsprechende Algorithmen diese Komplexität für den Anwender zu reduzieren. Durch luftgekoppelte Sensoren lässt sich die Anwendung des Verfahrens erheblich beschleunigen, das zeitintensive Versetzen und Andrücken des Messkopfes kann entfallen. Darüber hinaus ist die berührungslose Ankopplung auch unempfindlicher gegenüber rauen Oberflächen. Allerdings stellen Umgebungsgeräusche sowie die direkte Luftwelle und allgemein geringere Nutzsignalamplituden neue Herausforderungen dar und müssen durch entsprechende Messanordnungen und/oder Signalverarbeitung überwunden werden. Ansätze zur Umsetzung in serienmäßigen Systemen existieren bereits. Die Dickenmessung breiter Bauteile sowie die Detektion von Delaminationen und planaren Fehlstellen sind durch das Verfahren grundsätzlich abgedeckt. Die Detektion von Verpressfehlern im Innern metallischer Hüllrohre konnte in einer mehreren Fällen erfolgreich demonstriert werden, liegt aber nach wie vor im Grenzbereich des Verfahrens. Zukünftig sind werden neben der stetigen Weiterentwicklung der technischen Möglichkeiten und Leistungsfähigkeit von ZfP-Verfahren vor allem Studien zur Quantifizierung der Messgenauigkeit [39] und Detektionswahrscheinlichkeit (Probability of Detection POD [40]) weiterhin an Bedeutung gewinnen. 16

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