Simple HTML-Text Preview of
PDF-File [252KB]
Source: ZfP-Zeitung [more]
Journal of the NDT Societies: DGZfP (German), ÖGfZP (Austria) and SGZP (Swiss) [Home]
|
| Simple HTML-Text Preview of
PDF-File [252KB]Source: ZfP-Zeitung [more] |
ZfP-Zeitung 86 * Oktober 2003
Zerstörungsfreie Prüfverfahren im Bauwesen (ZfPBau)
Alexander Taffe, Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung (BAM), Berlin
1 Anwendungsgebiete von ZfPBau-Verfahren
Zerstörungsfreie Prüfverfahren im Bauwesen (ZfPBau) ha- ben in den vergangenen Jahren zunehmend Anwendung gefunden. Eine detaillierte Auflistung der Verfahren mit Kurzbeschreibung, Charakterisierung, Anwendung und Bewertung kann dem ZfPBau-Kompendium entnommen werden [1].
Die zunehmende Verbreitung dieser Verfahren liegt zum ei- nen an technischen Neuentwicklungen, die nunmehr eine Bearbeitung baupraktisch relevanter Prüfprobleme auf wirt- schaftliche Weise ermöglichen, zum anderen an neuen Fra- gestellungen, die im Rahmen erhöhter Qualitätsanforde- rungen an Bauwerke etwa durch "Nachhaltige Entwick- lung" im Bauwesen von Bauwerken oder einem verstärkten Bewusstsein hinsichtlich dauerhafter Lösungen bei der Bau- werksinstandsetzung gestellt werden.
DIN 1076 und objektbezogene Schadensanalyse
In Deutschland wird der Zustand von Brücken und anderen Ingenieurbauwerken im Zuge von Wegen und Straßen im Rahmen der Bauwerksprüfung nach DIN 1076 erfasst [2].
Die hierbei festgestellten Schäden werden entsprechend der Richtlinie zur einheitlichen Erfassung von Ergebnissen der Bauwerksprüfung, RI-EBW-PRÜF, ausgewertet [3]. Bei komplexen Schadensbildern oder dem Verdacht weiterer visuell nicht erkennbarer Schäden müssen zusätzlich zur Bauwerksprüfung detaillierte Informationen zu Art und Umfang von Schäden im Rahmen objektbezogener Analy- sen [4] erhoben werden.
Der erste Schritt besteht in der detaillierten Erfassung der Bauwerksschäden durch zerstörende Untersuchungen, z.B. Entnahme von Materialproben oder Freilegen vermuteter Schadstellen bzw. durch den Einsatz zerstörungsfreier Prüf- verfahren im Bauwesen. ZfPBau-Verfahren werden dabei zur Lokalisierung von Schwachstellen und zur detaillierten Untersuchung von Schadstellen und deren Ausmaß einge- setzt. Aus den Ergebnissen werden die Auswirkungen der Schäden auf die Standsicherheit, Verkehrssicherheit und Dauerhaftigkeit des Bauteils abgeleitet. Darüber hinaus wird aus Schädigungsmodellen der weitere Schadensver- lauf und dessen Einfluss auf die Restnutzungsdauer bzw. zu erwartende Instandsetzungskosten abgeschätzt.
ZfPBau ist somit ein fester Bestandteil der objektbezoge- nen Schadensanalyse, wie sie im Rahmen des Bauwerks- management-Systems durchgeführt wird, das durch die Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) im Auftrag des Bundesministeriums für Verkehr, Bau- und Wohnungswe- sen (BMVBW) entwickelt wurde. Der Bund wird dadurch in die Lage versetzt, neben einem Überblick über den Zu- stand der Bauwerke auch Aussagen zum Finanzbedarf zu erlangen.
Um die Leistungsfähigkeit von ZfPBau-Verfahren im Rah- men der objektbezogenen Schadensanalyse beurteilen zu können, wurden an dem abzubrechenden Bauwerk Tal- brücke Haiger die ZfPBau-Verfahren Radar, Ultraschall-Echo und Impact-Echo eingesetzt. Die Untersuchungen wurden an Bauteilen des Abbruchbauwerks durchgeführt und spä- ter durch Bohrkernentnahme an Stellen mit repräsentativen Erhaltungszuständen und vermuteten Schadstellen verifi- ziert. Der Schwerpunkt der Untersuchungen lag auf der Lo- kalisierung und der Zustandsuntersuchung von Spannglie- dern im Hinblick auf Verpressfehler und die Lokalisierung von Fehlstellen im Beton [5].
Nachhaltiges Bauen und probabilistische Lebensdauerbemessung
In dem vom Bundesministerium für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen herausgegeben Leitfaden [6] wird durch nachhaltiges Bauen eine Minimierung des Verbrauchs von Energie und Ressourcen sowie eine möglichst geringe Belastung des Naturhaushalts angestrebt.
Dies soll u.a. durch die Verlängerung der Lebensdauer von Bauprodukten und Baukonstruktionen sowie durch wieder- verwendbare Bauprodukte sichergestellt werden. Dabei kommt ZfPBau-Verfahren die Aufgabe zu, Materialeigen- schaften und den Zustand von Bauteilen zu ermitteln. Eng damit verbunden ist das zuvor beschriebene Auffinden von Schad- und Schwachstellen an Baukonstruktionen. Diese Stellen umfassen u.a. korrosionsaktive Bereiche an schlaffer und vorgespannter Bewehrung, Verpressfehler in Hüllroh- ren von Spannstahlkonstruktionen, in denen keine alkali- sche Schutzwirkung des Einpressmörtels für den Spann- stahl vorhanden ist, strukturelle Schäden, z.B. Verbundver- luste in Mehrschichtsystemen oder Risse, wobei bei letzte- ren die Risstiefe von besonderem Interesse ist. Die Kenntnis der Lage dieser Stellen im Bauteil und deren Zustand sind erforderlich, um Eingangsdaten für Modelle zur Beschrei- bung des Schädigungsverlaufs und einer Lebensdauerab- schätzung bzw. probabilistischen Lebensdauerbemessung [7] zu gewinnen.
Anforderungen der Baupraxis
In der Baupraxis besteht die Anforderung, leistungsfähige Messverfahren automatisiert an großen Flächen einzuset- zen. Außerdem ist die Zugänglichkeit von Bauteilen, z.B. die Untersicht einer Brücke durch ein Steigerfahrzeug oft nur temporär gegeben, so dass selbstarbeitende Systeme erforderlich sind. Es müssen Geräte entwickelt werden, die automatisiert über eine Bauteiloberfläche bewegt werden können. Dabei muss baupraktischen Schwierigkeiten be- gegnet werden, wie das Ausgleichen von Unebenheiten und eine Anpassung an die Geometrie des Bauteils.
36
ZfP-Zeitung 86 * Oktober 2003
Des Weiteren muss das automatische Aufzeichnen von Messwerten über einen Zeitraum mehrerer Stunden und deren Verarbeitung sichergestellt werden.
Das Auffinden von Schad- und Schwachstellen an Baukon- struktionen bedingt den Einsatz der Verfahren an groß- flächigen Bauteilen. Auf der anderen Seite sind detaillierte Aussagen über den Bauwerkszustand nur durch ein enges Untersuchungsraster am Bauwerk zu realisieren. Bislang werden solche flächigen Untersuchungen durch Verfahren wie Radar, Potentialfeldmessungen, Ultraschall-Echo oder Impact-Echo von Hand ausgeführt. Dies bedingt insbeson- dere im Fall von Ultraschall-Echo und Impact-Echo eine eng eingegrenzte Auswahl von zu untersuchenden Bereichen verbunden mit erhöhtem wirtschaftlichen Aufwand bei der Ausweitung der Messbereiche, da Messraster von 1 cm bis 2 cm je nach Prüfaufgabe erforderlich sind.
Entwicklung eines Baustellenscanners
In der BAM wurde als Gemeinschaftsprojekt der Fach- gruppe IV.4 (Zerstörungsfreie Schadensdiagnose und Um- weltmessverfahren) ein rechnergesteuerter automatischer Messabtaster für Bauteile (Baustellenscanner) entwickelt.
Es handelt sich um ein auf Schienen verfahrbares modula- res System mit einem multifunktionalen Messkopf, das an einem Bauteil befestigt, quer und längs zur Schienenrich- tung angesteuert werden kann (Abb. 1). Die Länge des Scanners kann modular in Schrittweiten von 1,20 m bzw. 2,40 m gewählt werden. Die Montage auf einer ebenen Bauteilfläche kann schräg, senkrecht oder auch über Kopf erfolgen. Derzeit kann der multifunktionale Messkopf mit den Verfahren Radar, Ultraschall-Echo und Impact-Echo be- trieben werden, wobei beide zuletzt genannten Verfahren gleichzeitig betrieben werden können.
Nachfolgend werden die o.g. Verfahren kurz beschrieben und deren Entwicklung hinsichtlich einer Automatisierung aufgezeigt.
2 Entwicklung von ZfPBau-Verfahren zur
Untersuchung von Beton
Die nachfolgende Betrachtung der seitens der BAM bei der Automatisierung mit Hilfe des Baustellenscanners verwen- deten ZfPBau-Verfahren Ultraschall, Impact-Echo und Ra- dar zeigt, inwieweit Prüfproblem, physikalische Gesetz- mäßigkeiten und technische Randbedingungen die Aus- wahl von Kenndaten und Einstellungen zur Lösung von Prüfaufgaben am Baustoff Beton beeinflussen.
2.1 Ultraschall
Das Ultraschall-Verfahren wird im Bauwesen zur Messung von Bauteildicken eingesetzt und zur Lokalisierung von Fehlstellen (z.B. Verpressfehler in Hüllrohren von Spannbe- tonkonstruktionen und Kiesnester) entwickelt. Bei der Au- tomatisierung des Verfahrens wird die Ultraschall-Echo-An- ordnung verwendet, bei der sich Sender und Empfänger auf der gleichen Seite des Bauteils befinden. Die Funktions- weise beruht auf der gerichteten Einkopplung von Ultra- schallimpulsen einer bestimmten Wellenart in das Material über einen Sendekopf. Die Schallwellen werden bei der Än- derung der akustischen Impedanz im untersuchten Bauteil reflektiert, wobei an Außenflächen, Hohlräumen und Rissen nahezu eine Totalreflexion erfolgt. Mit Hilfe eines Emp- fangsprüfkopfs, der im Einkopfbetrieb mit dem Sendekopf identisch ist, werden die empfangenen Signale gemessen und aufgezeichnet.
Die Schwierigkeit der Anwendung des Ultraschall-Verfah- rens auf Beton liegt in der Heterogenität der Zusammen- setzung des Baustoffs aus Zuschlägen und einer Zement- matrix mit Poren und deren Füllung mit Luft und Wasser, was zu einer starken Schallschwächung führt.
Abb. 1: Modulares Baustellenscanner-System mit multifunktiona- lem Prüfkopf zur Durchführung von Ultraschall-Echo-, Impact- Echo-Messungen (hier dargestellt) sowie Radarmessungen Abb. 2: Signalamplitude über der Zeit aufgetragen (A-Bild, oben); Schnitte zur Darstellung von Messdaten durch das Bauteil sche- matisch dargestellt (B-Bild, C-Bild und D-Bild, unten)
37
ZfP-Zeitung 86 * Oktober 2003
Da die baupraktisch verwendeten Wellenlängen (λ=2..10 cm bei Fre- quenzen f=200..40 kHz und Schall ausbreitgeschwindigkeit v=4000 m/s) in der Größenordnung des im Beton verwendeten Größt- korns von 16 mm bzw. 32 mm lie- gen, kommt es zu Streueffekten. Verwendet man größere Wellenlän- gen werden die störenden Einflüsse der Streuwellen zwar geringer, wo- bei aber auch das Auflösevermögen zur Ortung von Fehl- oder Schad- stellen im Bauteil reduziert wird.
Die Ankopplung planarer Prüfköpfe erfolgt mit einem Koppelmittel. Baupraktisch und mess- technisch stellt sich dies oft als problematisch dar, da die Reste des Koppelmittels das optische Erscheinungsbild aber auch die Materialeigenschaften der Oberfläche - etwa für weitere Messungen - nachteilig beeinflussen. Außerdem ist eine Ankopplung mit Koppelmittel bei der automatisierten Messwerterfassung technisch nur mit großem Aufwand realisierbar.
Aus diesem Grund erfordert die automatisierte Messwerter- fassung mit Ultraschall den Einsatz von Prüfköpfen, die koppelmittelfrei arbeiten. Derartige Köpfe stehen jetzt für den praktischen Einsatz zur Verfügung. Sie haben über eine Spitze einen Punktkontakt mit dem Bauteil und werden zur Messung einfach an das Bauteil gepresst [13].
Bei der Automatisierung von Ultraschallmessungen wer- den die bei jedem Messpunkt erhaltenen A-Bilder (Ultra- schallamplitude über der Zeit, Abb. 2, oben) nach Abfah- ren des Messrasters weiter verarbeitet. Die besten Ergeb- nisse erhält man, wenn man anhand der Reflexionen und Rückstreuung eine Rekonstruktion aus dem darunter lie- genden Volumen berechnet. Hierfür stehen verschiedene Methoden der Rekonstruktionsrechnung und künstlichen (synthetischen) Apertur zur Verfügung (SAFT: Synthetic
Aperture Focusing Technique) [8].
Die Ergebnisse dieser Berechnung können als beliebige Schnitte durch das Bauteil dargestellt werden (Abb. 2, unten). Abb. 3 zeigt die SAFT-Re- konstruktion einer Stahlbetonsohl- platte, bei der ein Kiesnest in rd. 10 cm Tiefe direkt und in 22 cm Tiefe indirekt über die Abschattung der Rückwand (bei y ≅ 100 mm) geortet wurden [8].
Das Lokalisieren von Verpressfehlern in Hüllrohren und deren Visualisie- rung ist derzeit in der Fachgruppe IV.4 Gegenstand der Forschung. Er- gebnisse hierzu wurden im Rahmen des International Symposium Non- Destructive Testing in Civil-Enginee- ring (NDT-CE) vom 16.-19. Septem- ber 2003 in Berlin präsentiert [9].
Abb. 3: SAFT-Rekonstruktion zur Ortung von Kiesnestern sowie oberer und unterer Beweh- rung in einer Sohlplatte (B-Bild) [8]
Abb. 4: Vielfachreflexionen an einem Bauteil mit Fehlstellen im Zeitbereich dargestellt; transformiertes Signal im Frequenzbereich; Schnitt durch das Bauteil über die Tiefe in Grauwertdarstellung (B- Scan) [5]
Abb. 5: Brückenlängsträger mit Impact-Echo-Messfeld; Tiefenschnitt (C-Bild) der Messfläche: die hellen Flächen kennzeichnen die Lage der verpressten Hüllrohre; teilweise verpresstes Hüllrohr mit großer Fehlstelle (gelb umrandeter Bereich); links oben: Foto der lokalisierten Fehlstelle am entnommenen Bohrkern [5]
38
ZfP-Zeitung 86 * Oktober 2003
2.2 Impact-Echo
Das Impact-Echo-Verfahren wird im Bauwesen primär zur Dickenmessung von Bauteilen eingesetzt. Eine Ortung von Hüllrohren ist unter bestimmten Bedingungen möglich, wobei die zuverlässige Lokalisierung unverpresster Bereiche im mit Mörtel gefüllten Hüllrohr von Spannstahlkonstruk- tionen immer noch Gegenstand intensiver Forschungsar- beit ist [5].
Auf der Bauteiloberseite werden durch einen kurzen Schlag mit einer Kugel akustische Wellen generiert und deren Viel- fachreflexionen im Bauteil gemessen. Der Frequenzgehalt des Anregungsspektrums wird maßgeblich von Dauer und Stärke des Impacts bestimmt, welche durch die Größe der Kugel und die Oberflächenbeschaffenheit festgelegt wer- den. Dabei führt ein vergleichsweise großer Kugeldurch- messer (25 mm) zu einem schmalbandigen Anregungs- spektrum, mit großer Amplitude jedoch ohne Anteile höherer Frequenzen.
Damit sind Aussagen für geringe Tiefen nicht möglich. Aus- sagen über die innere Struktur des Bauteils in geringeren Tiefen erhält man durch das breitbandige, jedoch deutlich schwächere Anregungsspektrum eines vergleichsweise ge- ringeren Kugeldurchmessers (3 mm).
Treten im Bauteil Änderungen der akustischen Impedanz auf, z.B. an der Bauteilrückwand oder der Grenzfläche zu einer Fehlstelle (unverpresster mit Luft gefüllter Bereich ei- nes Hüllrohrs), so kommt es zur Reflexion der Welle. Die auftretenden Vielfachreflexionen eines eingeleiteten Im- pacts werden mit Hilfe eines Sensors über die Zeit aufge- zeichnet und digitalisiert. Diese Daten werden auf einen Rechner übertragen, wo eine Fourier-Transformation vom Zeitbereich in den Frequenzbereich erfolgt. Dominante Frequenzen infolge von Vielfachreflexionen der Wellen an der Bauteilrückseite oder an Fehlstellen erscheinen als An- zeige im Frequenzspektrum (Frequenzbereich von ca. 2 bis 40 kHz). Der charakteristischen Frequenz, an der diese Spit- zen auftreten, kann bei bekannter Ausbreitungsgeschwin- digkeit der Wellen die Tiefe des Reflektors zugeordnet wer- den (Abb. 4).
In Abb. 5 ist das Ergebnis einer Flächenmessung an einem vorgespannten Längsträger im Stegbereich dargestellt. Nach Auswertung der Messergebnisse der rd. 1 m2 großen untersuchten Fläche mit eigens dafür entwickelter Software kennzeichnen die hellen Flächen die Lage der ordnungs- gemäß verpressten Hüllrohre. Im rechten Teil von Hüllrohr 1 wurden verschobene Rückwandsignale gemessen, die auf Verpressfehler hindeuteten (gelb umrahmter Bereich). Die Vermutung wurde durch die Entnahme eines Bohrkerns an dieser Stelle verifiziert (Abb. 5, links oben).
2.3 Radar
Radar wird im Bauwesen zur Lokalisierung von schlaffer Be- wehrung, Hüllrohren von Spannstählen, Einbauteilen (An- ker u.ä.), zur Ermittlung von Belagschichtdicken und aus- reichend großer Fehlstellen (z.B. Kiesnester) sowie der De- tektion von außen nicht sichtbarer durchfeuchteter Berei- che in Bauteilen verwendet.
Das Radarverfahren beruht auf der aktiven Aussendung elektromagnetischer Wellen und der Einleitung in das zu untersuchende Bauteil. Dabei werden zur Untersuchung von Betonbauteilen i.d.R. Antennen mit Mittenfrequenzen im Bereich von 500 MHz bis 1,5 GHz verwendet.
Die Wellenausbreitung im Bauteil hängt von den elektro- magnetischen Materialeigenschaften ab, die primär durch die Dielektrizitätskonstante εr) beschrieben werden.
Die Leitfähigkeit σ und die magnetische Permeabilitätskon- stante µr können bei trockenem Beton vernachlässigt wer- den [11]. Auf ihrem Weg wird die Welle an Diskontinuitä- ten, d.h. Bereichen deren Dielektrizitätskonstanten εr sich nennenswert unterscheiden, gestreut, reflektiert und ge- beugt.
Die Dielektrizitätskonstante εr liegt für trockenen Beton bei εr =4..10 und feuchten Beton (je nach Porengehalt) bei εr =10..20. Für Luft beträgt sie εr =1. Aus diesem Grund treten erkennbare Reflexionen insbesondere an Grenz- flächen Luft/Beton (Rückwand, Fehlstelle) auf. An der Grenzfläche Beton/Metall (schlaffe Bewehrung, Hüllrohr) tritt eine Totalreflexion auf.
Bereiche mit stark unterschiedlichen Feuchtegehalten kön- nen aufgrund der unterschiedlichen Dielektrizitätskon- stante und den daraus resultierenden veränderten Ausbrei- tungsgeschwindigkeiten lokalisiert werden.
Mit einer Empfangsantenne wird ein Teil der reflektierten Energie der eingeleiteten elektromagnetischen Welle ge- messen. Die Amplituden des Signals werden als Funktion der Laufzeit t digital aufgezeichnet und auf dem Monitor dargestellt (A-Scan). Ist die Dielektrizitätszahl des unter-
(a)
(b) (c)
Abb. 6: (a) Betonprobekörper, bereichsweise bewehrt; (b) oben Radargramm und unten SAFT-Rekonstruktion in Schnitt 1-1 des unbewehrten Teils; (c) oben Radargramm und unten SAFT-Rekon- struktion in Schnitt 2-2 des bewehrten Teils [12]
39
ZfP-Zeitung 86 * Oktober 2003
suchten Baustoffs bekannt, lässt sich aus der Laufzeit des Signals die Tiefe der Reflektoren (Rückwand, Bewehrung, Grenzfläche/Fehlstelle) ermitteln.
Für einen halbseitig bewehrten Betonprobekörper (Abb. 6a) mit einer Dicke von 50 cm (Abmessungen: 200x150x50 cm3) sind Radargramme aus dem bewehrten (Abb. 6b, oben) und dem unbewehrten Bereich (Abb. 6c, oben) des Probekörpers abgebildet.
Darunter befinden sich die Rekonstruktionen mit SAFT, die mit Hilfe eines von der Universität Kassel zur Verfügung ge- stellten Auswerteprogramms erzeugt wurden (Abb. 6b und c, unten). In den oberen Radargrammen sind die typischen Reflexionshyperbeln des Hüllrohrs (Ø 85 mm) und der Fehlstelle zu erkennen. Mit Hilfe der SAFT-Rekonstruktion werden diese Hyperbeln auf den Scheitelpunkt reduziert. Weitere Ergebnisse sind in [12] dokumentiert.
Jedes der drei oben beschriebenen Verfahren hat im Rah- men der Verfahrensgrenzen seine Leistungsfähigkeit bei der Lösung von Prüfproblemen gezeigt. Während Radar in den oberen Bereichen eines Bauteils sehr gut Bewehrung und metallische Hüllrohre abbildet, kann das Ultraschallverfah- ren aus größeren Tiefen insbesondere unterhalb dichter Be- wehrung Informationen über Bewehrung oder Bauteildicke liefern. Durch Radar-lokalisierte Hüllrohre können von Im- pact-Echo und Ultraschall-Echo auf ihren Verpresszustand untersucht werden. Während mit akustischen Verfahren im Falle stark durchfeuchteter Bauteile im Gegensatz zu Radar noch Informationen gewonnen werden können, liefert Ra- dar noch Informationen aus tieferen Schichten, wenn mehrschichtige Bauteile durch Luftschichten, Folien oder Bitumenbahnen unterteilt sind.
Aber erst der gemeinsame Einsatz von Ultraschall-Echo, Im- pact-Echo und Radar verbunden mit Daten-Fusion aus den gewonnenen Ergebnissen ermöglicht eine neue Art der Aussagequalität von Ergebnissen. Da die Randbedingun- gen am Bauwerk hinsichtlich Durchfeuchtung, Beweh- rungsgehalt und Schichtaufbau ständig variieren, ist nur durch den kombinierten Einsatz mehrerer Verfahren ein Maximum an Informationen zu erzielen.
3 Automatisierung der Messwerterfassung
Neben der Leistungsfähigkeit der Messverfahren besteht wirtschaftlich das Erfordernis, möglichst große Bau- teilflächen mit geringem Aufwand an Personalkosten zu untersuchen. Die Qualität der Ergebnisse steigt mit zuneh- mender Dichte des Messrasters. Darüber hinaus wird eine Vereinheitlichung der Prüfungsdurchführung herbeige- führt, so dass der Einflussfaktor des Prüfers entfällt. Dies ist insbesondere im Rahmen der Validierung von besonderem Interesse, da die Einflussfaktoren auf die Ergebnisse redu- ziert werden. Die Automatisierung bietet den Vorteil einer guten Wiederholbarkeit von Messungen am gleichen Ob- jekt. Messungen an verschiedenen Objekten werden unter gleichen Randbedingungen durchgeführt, was zur besse- ren Vergleichbarkeit von Ergebnissen beiträgt.
Der entwickelte Baustellenscanner ist eine auf Prismen- schienen geführte Verstelleinrichtung mit Zahnstangenan- trieb. Dieses verfahrbare modulare System ist mit einem multifunktionalen Messkopf, der an einer Brücke befestigt ist, ausgestattet. Die Brücke kann als ganzes in Schienen- richtung verfahren werden. Der Messkopf lässt sich in x- und y-Richtung mit einer Positioniergenauigkeit von ~ 1 mm verfahren.
Die Schrittmotoren von Brücke und Messkopf werden über einen Controller angesteuert. Der erforderliche Anpress- druck des Messkopfs beim Ultraschall- und Impakt-Echo- Verfahren wird durch eine pneumatische Hubeinheit er- zeugt. Die aufgenommenen Daten werden zunächst auf ei- nem PC zwischengespeichert und anschließend weiterver- arbeitet.
Der Scanner kann modular in Schrittweiten von 1,20 m bzw. 2,40 m, vorgegeben durch die Länge (x-Richtung) der Schienen, auf einer ebenen Bauteilfläche angebracht werden. Die Breite (y-Richtung) der Scannfläche kann ma- ximal 4 m betragen. Die zu untersuchende Fläche kann schräg, senkrecht oder auch über Kopf verlaufen. Derzeit wird der multifunktionale Messkopf mit den Verfahren Ra- dar, Ultraschall-Echo und Impakt-Echo betrieben, wobei beide zuletzt genannten Verfahren gleichzeitig betrieben werden können.
Erst der Einsatz koppelmittelfrei arbeitender breitbandiger Punktkontaktköpfe im Bereich von 100 kHz [13] machte eine praxistaugliche automatisierte Ultraschall-Echo-Mes- sung möglich. Das verwendete Ultraschall-Messgerät er- zeugt Transversalwellen und besteht aus je zwölf Sendern und Empfängern. Die erforderliche Anpresskraft von rd. 120 N wird durch die pneumatische Hubeinheit erzeugt.
Die Hubeinheit sorgt auch bei der Impact-Echo-Messung für den erforderlichen Anpressdruck des Sensors. Der Ab- stand zwischen dem Anregungspunkt und dem Sensor ist fest und beträgt 4 cm, was gegenüber einer Messung von Hand eine Vereinheitlichung dieses sonst variierenden Ab- stands bedeutet. Auch die Stärke des Impacts ist bei allen Messungen einheitlich und somit vom Prüfer unabhängig.
Die Radarantenne wird im Gegensatz zu den akustischen Verfahren in einem konstanten Abstand, d.h. berührungs- los, über die Bauteiloberfläche bewegt. Dabei ist bei den unvermeidbaren Unebenheiten der Bauteiloberfläche zu beachten, dass eine Vergrößerung des Antennenabstands zur Bauteiloberfläche mit einer scheinbaren Verschiebung der Signale in größere Tiefen einhergeht. Dieser Effekt wird bei der Datenverarbeitung berücksichtigt.
Die mögliche Geschwindigkeit der Bewegung der Radaran- tenne ergibt sich aus der Geschwindigkeit, mit der die Da- ten erfasst und digitalisiert werden. Bei einer Wiederho- lungsfrequenz der Impulse von 100 kHz beträgt bei 1.000 Samples pro aufgezeichnetem Signal die Messdauer für ei- nen A-Scan 10 Millisekunden. Werden als Raster der A- Scans Werte zwischen 1 cm und 10 cm gewählt, so sind Messgeschwindigkeiten der Radarantenne von 1,0 m/s bis 10 m/s möglich.
Bei den akustischen Verfahren hingegen sind die Zeit zum Positionieren des Messkopfs und die gewählte Anzahl der Wiederholungsmessungen für die erreichbare Messge- schwindigkeit maßgebend. Beim Impact-Echo ergibt sich die längste Messdauer von mehreren Sekunden, da für jede der drei Wiederholungsmessungen ein neuer Schlag des Impactors ausgeführt wird. Bei dem verwendeten Ultra- schall-Gerät hingegen können Wiederholungsmessungen je Messpunkt in einer Frequenz von 10 Hz durchgeführt
40
ZfP-Zeitung 86 * Oktober 2003
werden. Zur Zeitersparnis wurde der Messkopf des Baustel- lenscanners so konstruiert, dass eine parallele Durch- führung von Ultraschall- und Impact-Echo-Messungen möglich ist.
4 Ausblick
Der Baustellenscanner wird künftig neben Bauwerksunter- suchungen für Validierungsuntersuchungen am großen Be- tonprobekörper der BAM [14] eingesetzt. Diese 40 m2 Stahlbetonplatte weist Hüllrohre mit Verpressfehlern und Bereiche mit variierender Dicke auf. Für die automatisierte Ortung von Verpressfehlern in Hüllrohren sind umfangrei- che Forschungsaktivitäten im Rahmen von EU-Projekten und der DFG-Forschungsgruppe FOR 384 im Gange. Die Ergebnisse der Untersuchungen werden mit Durchstrah- lungsprüfungen verifiziert.
Baupraktisch wurde der Baustellenscanner erstmals im Au- gust 2003 an einer abzureißenden Spannbetonbrücke in der Nähe von Fulda eingesetzt. Dabei wurden die Fahr- bahnplatte von der Ober- und Unterseite und die Seiten- wand des Hohlkastens untersucht. Der Abbruch des Bau- werks zur Verifizierung der Ergebnisse steht noch aus. Wei- tere baupraktische Einsätze im Rahmen der objektbezoge- nen Schadensanalyse sind vorgesehen.
Danksagung
Der Dank gilt allen in der Fachgruppe IV.4 Beteiligten bei der Realisierung des Baustellenscanners, insbesondere Herrn Schaurich und Herrn Behrens für die Konstruktion. Herrn Dr. Krause, Herrn Kohl und Frau Dr. Maierhofer danke ich für die Bereitstellung aktueller Messergebnisse.
5 Literatur
[1] Schickert, G., Krause, M., Wiggenhauser, H.: ZfP- Bau-Kompendium; www.bam.de/service/publikationen/ zfp_kompendium/welcome.html
[2] DIN 1076 - Ingenieurbauwerke im Zuge von Straßen und Wegen; Überwachung und Prüfung. Ausgabe 1999
[3] Richtlinie zur einheitlichen Erfassung, Bewertung, Aufzeichnung und Auswertung von Ergebnissen der Bauwerksprüfungen nach DIN 1076 (RI-EBW-PRÜF), Ausgabe 1998. Bundesministerium für Verkehr, Bau- und Wohnungswesen, Abteilung Straßenbau, Ver- kehrsblatt-Verlag, 1998.
[4] Krieger, J., Kaschner, R., Haardt, P.; Die objektbezo- gene Untersuchung und Bewertung von Brücken im Rahmen des Bauwerks-Management-Systems; in Bautechnik 77 (2000), Heft 7 S. 453 - 463.
[5] Krieger, J., Krause, M., Wiggenhauser, H.: Material- technisch Untersuchung beim Abbruch der Talbrücke Haiger, Durchführung von Ultraschall- und Impact-Echo-Messungen. Berichte der Bundes- anstalt für Straßenwesen, Reihe Brücken- und Ingenieurbau, Heft B 38, Verlag für neue Wissen- schaft, Bremerhaven, 2002. [6] Bundesministerium für Verkehr, Bau- und Wohnung- wesen: Leitfaden Nachhaltiges Bauen, Januar 2001, www.bmvbw.de/Anlage8183/ Leitfaden-Nachhaltiges-Bauen.pdf
[7] Gehlen, C.: Probabilistische Lebensdauerbemessung von Stahlbetonbauwerken - Zuverlässigkeitsbe- trachtungen zur wirksamen Vermeidung von Be- wehrungskorrosion. Heft 510 der Schriftenreihe des DAfStb, Beuth-Verlag, 2000.
[8] Schickert, M., Krause, M., Müller, W.: Ultrasonic Imaging of Concrete Elements Using Reconstruction by Synthetic Aperture Focusing Technique; Journal of Materials in Civil Engineering, May/June 2003 S. 235-246.
[9] Krause M., Mielentz F., Milmann B., Streicher D., Müller W.: Ultrasonic imaging of concrete elements; State of the art using 2D synthetic aperture. Ta- gungsband: International Symposium Non-Destruc- tive Testing in Civil Engineering (NDT-CE) 16.- 19.09.2003, Berlin
[10] Sansalone, M. J.; Streett, W. B.; Impact-Echo, Non- destructive Evaluation of Concrete and Masonry. Bullbrier Press. Ithaka. N.Y. 1997.
[11] Deutsche Gesellschaft für Zerstörungsfreie Prüfung, DGZfP-Fachausschuss für Zerstörungsfreie Prüfung im Bauwesen (AB) Unterausschuss Radar, Merkblatt B 10
[12] Kohl C., Krause M., Maierhofer C., Mayer K., Wöst- mann J., Wiggenhauser H.: 3D-Visualisation of NDT- Data using Data Fusion Technique: Tagungsband: International Symposium Non-Destructive Testing in Civil Engineering (NDT-CE) 16.-19.09.2003, Berlin
[13] Kozlov, V., Samokrutov, V., Shevaldykin, V.: Ultraso- nic Defectoscopy of concrete by means of Pulse- Echo Technique. Proceedings of the 8th ECNDT, Barcelona, CD-ROM (2002)
[14] Taffe A., Borchardt K., Wiggenhauser H.: Specimen for the improvement of NDT-methods - Design and construction of a large concrete slab for NDT at BAM; Poster P 11, International Symposium Non- Destructive Testing in Civil Engineering (NDT-CE) 16.-19.09.2003, Berlin
Der Autor:
Dipl.-Ing. Alexander Taffe, geboren 1969, studierte Bauin- genieurwesen an der RWTH in Aachen.
Nach Tätigkeit als Leiter des Ber- liner Büros der BauingenieurSo- zietät Aachen (Sasse-Schießl-Fie- brich-Raupach) im Bereich Scha- densdiagnose von Bauwerken und Instandsetzung ist er derzei- tig wissenschaftlicher Mitarbeiter in der Fachgruppe Zerstörungs- freie Schadensdiagnose und Umweltmessverfahren an der BAM.
41