1. Zusammenfassung

Die Qualitätssicherung von Betonbauwerken bezieht sich bisher vor allem auf die Kontrolle der Baustoffe. Das fertige Bauwerk wird in der Regel nur dann untersucht, wenn Schäden naheliegen oder bereits aufgetreten sind. In diesen Fällen wird das Bauwerk visuell inspiziert, innere Bereiche von Betonbauteilen werden zerstörend durch Entnahme von Bohrkernen geprüft.

Eine zerstörungsfreie Prüfmöglichkeit bietet das Ultraschallverfahren. Insbesondere die SAFT-Rekonstruktion (Synthetic Aperture Focusing Technique) ermöglicht die Abbildung von Materialbereichen in Betonbauteilen bei gleichzeitiger Reduktion der Schwierigkeiten, die sich aus der Inhomogenität des Betons für die Ultraschallprüfung ergeben.

Der Beitrag begründet den Einsatz der SAFT-Rekonstruktion anwendungsorientiert aus dem Ausbreitungsverhalten von Ultraschallwellen in Beton und im Vergleich mit A- und B-Bild-Verfahren. Ein Überblick über den Stand der Verfahrensentwicklung am berichtenden Institut enthält die Weiterentwicklungen von SAFT-Algorithmus mit linearer Apertur und Signalverarbeitungsmoduln seit 1995. Meßbeispiele an Betonbauwerken und Testkörpern illustrieren das Anwendungspotential des Verfahrens für die besonderen Prüfprobleme des Bauwesens. Mit der Ultraschall-SAFT-Rekonstruktion steht ein hochentwickeltes Prüfverfahren zur Verfügung, das dem Bauwesen neue Bereiche der Qualitätssicherung und Schadensverhütung erschließen kann.

2. Einleitung

Die SAFT-Rekonstruktion wurde als ein bildgebendes Verfahren entwickelt, um hochauflösende Fehlerdetektion mit einfacher Interpretation der Anzeigen zu verbinden [1, 2]. Für die Prüfung wird eine Reihe von Ultraschallmessungen in Impuls/Echo-Technik auf der Oberfläche des Prüflings durchgeführt. Die Meßpunkte sind dabei auf einem ein- oder zweidimensionalen Raster entsprechend einer flächigen oder linearen Apertur angeordnet. Bild 1 zeigt dies für die lineare Apertur.

Bild 1: Meßprinzip der SAFT-Rekonstruktion mit linearer Apertur (LSAFT)

Anschließend wird aus den gespeicherten Empfangssignalen ein volumetrisches Bild bzw. Schnittbild unterhalb der Apertur berechnet, indem die Signale für jeden Bildpunkt laufzeitrichtig überlagert werden. Das drei- bzw. zweidimensionale Verfahren werden als 3D-SAFT bzw. LSAFT (Line-SAFT, mit Bezug auf die Apertur) bezeichnet. In der resultierenden SAFT-Rekonstruktion sind in einem homogenen Werkstoff eingelagerte Objekte als Anzeigen sichtbar und können in ihrer Position bestimmt und bezüglich ihrer Eigenschaften interpretiert werden.

In dem Ultraschall-Abbildungssystem der MFPA Weimar ist die LSAFT-Rekonstruktion mit einem Aufbau nach Bild 1 implementiert [3]. Die Messungen werden mit einem kommerziellen Ultraschall-Meßsystem durchgeführt, die Rekonstruktionsrechnung erfolgt mit eigenen Programmen in einem stationären Rechner oder Notebook. Bei einer Prüfung werden die Einzelmessungen als bipolare A-Bilder aufgenommen und gespeichert. Alle A-Bilder der linearen Apertur bilden ein B-Bild, das als Rohdatensatz für die SAFT-Rekonstruktion dient.

Meßsystem und Rekonstruktionsrechner sind tragbar und auf Baustellen von ein bis zwei Personen einsetzbar. Die SAFT-Rekonstruktionen können vor Ort unmittelbar im Anschluß an die Datenaufnahme berechnet und ausgewertet werden. Bild 2 zeigt das Ultraschall-Abbildungssystem im Einsatz.

Der heterogene Aufbau von Beton führt bei Ultraschallmessungen an Betonbauteilen zur Interaktion der Ultraschallwellen mit der Betonstruktur. Diese Wechselwirkungen, ihre Auswirkungen auf die verschiedenen Ultraschall-Meßverfahren sowie Erweiterungen des SAFT-Abbildungsverfahren werden im folgenden in knapper Form beschrieben.

Bild 2: Messung mit dem Ultraschall-Abbildungssystem der MFPA Weimar im Hohlkasten einer Stahlbetonbrücke

3. Ultraschallausbreitung in Beton

Festbeton ist mit seinen Bestandteilen Zement, Zuschlag und Poren ein auch makroskopisch stark inhomogener Werkstoff, dessen Struktur die vom Prüfkopf ausgesandten Ultraschallpulse beeinflußt.
Selbst bei tiefen Prüffrequenzen von 100 kHz liegt die Wellenlänge der Ultraschallsignale in der Größenordnung der strukturellen Inhomogenitäten, weshalb ein eingeschalltes Signal gestreut wird. Als Folge der Streuung wird der ursprüngliche, zum Sendesignal kohärenten Signalanteil mit zunehmendem Schallweg geschwächt, und seine Energie verlagert sich in ein nachfolgendes Strukturrauschen aus überlagerten Streuanteilen. Bei Messung in Impuls/Echo-Technik kann dieser Streuanteil Reflexionen eingelagerter Objekte überlagern und deren Nachweis verhindern. Das Strukturrauschen hängt von der Wandlerposition ab, ist aber deterministisch und daher durch zeitliche Mittelung nicht zu verringern. Außerdem führt die Streuung zu frequenzabhängiger Schallschwächung und Dispersion, die von der Zusammensetzung des Betons abhängen und mit zunehmendem Schallweg die Pulsbreite deutlich vergrößern. Als weiterer Effekt bedingt der im Verhältnis zur Wellenlänge relativ geringe Durchmesser der Prüfköpfe einen großen Öffnungswinkel, der in der Praxis 90° und mehr erreichen kann. Schließlich entstehen an den inneren Grenzschichten zu Zuschlag und Poren modenkonvertierte Wellen, die sich mit abweichender Schallgeschwindigkeit inkohärent ausbreiten und das Bildrauschen erhöhen.

4. Anwendung von A- und B-Bildern und der SAFT-Rekonstruktion

Die Phänomene der Wellenausbreitung in Beton haben komplexe Auswirkungen auf die Ultraschallsignale und damit die Empfangssignale einer Ultraschallprüfung. Dies hat Folgen für die Anwendbarkeit der verschiedenen Prüfverfahren, die hier für die A- und B-Bild-Verfahren sowie die SAFT-Rekonstruktion besprochen werden. Einen Praxisvergleich anhand von Messungen an Testkörpern enthält [4], Bildbeispiele sind unten aufgeführt.

Bei der Messung einzelner A-Bilder wirkt sich das deterministische Strukturrauschen besonders aus. Es hängt vom Empfangsort ab, so daß das Signal/Rausch-Verhältnis zum Nutzsignal eines Reflektors nicht vorhergesagt und damit sein Nachweis nicht garantiert werden kann. Ist eine Anzeige sichtbar, ist die Position des Reflektors durch den großen Öffnungswinkel der Prüfköpfe, der außerdem das Signal/Rausch-Verhältnis weiter verschlechtert, schwer zu bestimmen. Das Auflösungsvermögen wird mit zunehmender Materialtiefe geringer, da sich der Sendepuls durch frequenzabhängige Schallschwächung und Dispersion verbreitert. Anzeigen aus Reflexionen von Oberflächenwellen an der Geometrie des Prüflings lassen sich nicht von inneren Anzeigen unterscheiden.
Als Folge sind einzelne A-Bilder schwer zu interpretieren und können in der Praxis meist nur dann eingesetzt werden, wenn ein starker Reflektor in einem ausgedehnten Bauteil ohne weitere Reflexionsanzeigen lokalisiert werden soll. Einsatzmöglichkeiten sind z.B. die Dickenmessung in Betonplatten mit geringer Bewehrung.

Im B-Bild der Aperturmessungen unterdrückt die visuelle Bildverarbeitung der menschlichen Wahrnehmung das unregelmäßige Strukturrauschen gegenüber den Anzeigen von Reflektoren, die als linien- oder hyperbelförmige Bildstrukturen sichtbar werden. Die Position der angezeigten Reflektoren läßt sich mit geschultem Auge meist bestimmen, wenn nicht zu viele Objekte nahe beieinander liegen. Reflexionen von Oberflächenwellen sind nicht immer als solche zu erkennen.
Die bildhafte Anzeige erweist sich als deutlicher Vorteil gegenüber einzelnen A-Bildern. Wenn in dem zu prüfenden Bauteil nicht zu viele Reflektoren enthalten sind, reicht eine Auswertung des B-Bildes oft aus. In jedem Fall werden sie zusammen mit der SAFT-Rekonstruktion als „Rohbild" mit verwendet.

Die SAFT-Rekonstruktion liefert prinzipiell ein Abbild des Materialbereiches unterhalb der Apertur. Ein großer Öffnungswinkel der Prüfköpfe ist hier hilfreich, um ein Volumenelement im Material von möglichst vielen, unterschiedlichen Wandlerpositionen aus anzuschallen. Durch die Fokussierung auf jeden Bildpunkt wird hochfrequentes Strukturrauschen unterdrückt, Reflektoren werden ortsrichtig abgebildet und lassen sich genau lokalisieren. Bei relativ kleinen Objekten wie Bewehrungseisen und Spannkanäle liegt die sichtbare Anzeige an dem Punkt, der der Apertur am nächsten ist; die Grenzflächen größerer Objekte lassen sich im Bild verfolgen. Dadurch sind auch SAFT-Rekonstruktionen von Betonbauteilen mit komplexem inneren Aufbau meist interpretierbar. Reflexionen von Oberflächenwellen werden defokussiert. Als Nachteil ist die mögliche Einführung von Artefakten zu nennen, die vor allem durch die endliche Ausdehnung der Apertur entstehen können. Daher ist immer ein Vergleich mit dem zugehörigen B-Bild erforderlich.

Die SAFT-Rekonstruktion wird am berichtenden Institut als Standard-Auswerteverfahren zur Detailuntersuchung z.B. von Spannkanälen und Schichtgrenzen eingesetzt. Die Interpretation der Bildergebnisse erfordert geschultes Personal mit Kenntnissen der Ausbreitung und Streuung von Ultraschallwellen.

5. Entwicklungsstand des LSAFT-Abbildungsverfahrens

Zur Anpassung des SAFT-Rekonstruktionsverfahrens an die besonderen Bedingungen der Betonprüfung wurden der SAFT-Algorithmus modifiziert und zusätzliche Moduln der digitalen Signalverarbeitung eingeführt, die je nach Anforderung einzeln oder gemeinsam eingesetzt werden.

• Subtraktion Referenzsignal. Von den Empfangsdaten kann ein Referenzsignal subtrahiert werden, um die Einflüsse des Sendepulses und von Reflexionen aus den Prüfköpfen zu verringern.
• Spektrale Entfaltung. Die Empfangsdaten können mit einem Referenzsignal entfaltet werden, das an einem Testreflektor gewonnen wird. Dadurch werden die Auflösung erhöht und Einflüsse der Prüfköpfe verringert.
• Nichtlineare Zeitskalen. Mit zunehmendem Schallweg bewirken frequenzabhängige Schallschwächung [5] und Dispersion [6] eine Verbreiterung des Sendesignals [7], so daß die Pulsgeschwindigkeit sich ändert. Dies kann durch Verwendung nichtlinearer Zeitskalen im SAFT-Algorithmus korrigiert werden [8].
• Statistischer Tiefenausgleich. Die frequenzabhängige Schallschwächung bewirkt auch eine Amplitudenverringerung des Sendepulses mit dem Schallweg. Als Abhilfe wird nach einer Idee von Jansohn [9] ein Tiefenausgleich aus den Zeilenstatistiken der SAFT-Rekonstruktion berechnet.
• Statistische Nachweisschwelle. Analog zum Vorgehen beim Radar-Verfahren kann mit einer Nachweisschwelle eine Trennung von Nutz- und Störsignal mit einer einstellbaren Detektionswahrscheinlichkeit erreicht werden. Dazu wird das Bildrauschen der SAFT-Rekonstruktion mit einer Verteilungsfunktion genähert und die Nachweisschwelle entsprechend der gewünschten Detektionswahrscheinlichkeit eingestellt [10].

In aktuellen Arbeiten werden Modifikationen untersucht, die die Filterwirkung der Betonstruktur auf die Sendesignale betreffen.

6. Anwendungsbeispiele

Ein Reihe von Meßbeispielen soll die Anwendung des SAFT-Rekonstruktionsverfahrens anhand typischer Prüfprobleme aus dem Bauwesen illustrieren. Zur Interpretation der Bilder wurden Bauzeichnungen, die Ergebnisse einer induktiven Bewehrungssuche und teilweise Radarmessungen zur Lage von Spannkanälen verwendet.

Bild 3 zeigt im oberen Bildteil die SAFT-Rekonstruktion des Querschnittes durch die Fahrbahnplatte einer Autobahnbrücke. Der Fahrbahnbelag war vor der Messung entfernt worden. Im rechten Bildteil erkennt man die Rückwand, die schräg in einer Tiefe von 320 bis 280 mm verläuft. Darüber liegt in einer Tiefe von 85 mm ein Spannkanal. Keines dieser beiden Objekte setzt sich in die linke Bildhälfte fort. Grund dafür ist die Trennschicht zu einem Reparaturbeton, die in der linken Bildhälfte in einer Tiefe von etwa 65 mm wellig verläuft und den Schall praktisch vollständig reflektiert. In Bild 3 unten sind diese Objekte eingezeichnet. Zwischen beiden Bildhälften sind im Bereich der Querrichtung von 540 bis 645 mm keine Anzeigen zu erkennen, hier befindet sich zwischen den beiden Betonen mit 8 und 24 mm Größtkorn ein von außen sichtbarer Rißbereich.

Bild 3: Querschnitt durch die Fahrbahnplatte einer Autobahnbrücke: Oben SAFT-Rekonstruktion [11], unten mit eingezeichneten Objekten

In Bild 4 ist oben die SAFT-Rekonstruktion eines verfüllten Spannkanals in einem Testkörper dargestellt. Der Spannkanal verläuft leicht schräg zur Oberfläche in einer Tiefe von 238 bis 229 mm. Die beiden hellen Bereiche mit Querkoordinaten von 15 bis 60 mm und 290 bis 385 mm gehören zu zwei Fehlstellen (Kiesnest und Teilverfüllung des Spannkanals), die künstlich eingebracht wurden und mit dieser Rekonstruktion in einem Blindversuch nachgewiesen werden konnten. Der Ursprung der Anzeige rechts oberhalb des Spannkanals ist unbekannt. Die Objekte und Fehlstellen sind in Bild 4 unten der Rekonstruktion überlagert dargestellt.

Bild 4: Spannkanal in einem Testkörper: Oben SAFT-Rekonstruktion [12], unten mit eingezeichneten Objekten und Fehlstellen

Als drittes Beispiel zeigen die Bilder 5 bis 7 den Querschnitt der Bodenplatte einer Stahlbetonbrücke mit Längsvorspannung. Das B-Bild in Bild 5 läßt bereits die Rückwand, typische Hyperbeln für konzentrierte Objekte und einige weitere Anzeigen erkennen, deren Ursprung aber schlecht lokalisiert werden kann. Denkt man sich eine der Spalten des Bildes als A-Bild, wird die Schwierigkeit bei der Interpretation einzelner A-Bilder deutlich: Das Bauteil enthält eine große Zahl von Reflektoren, und die Ankopplung ist nicht an allen Aperturpunkten gleich gut. Die SAFT-Rekonstruktion in Bild 6 zeigt die Lage der Objekte genauer an und erlaubt eine Unterscheidung und Ortung auch der bisher fraglichen Objekte. Nachgewiesen werden die Rückwand bei 350 mm, drei Spannkanäle in 150 mm Tiefe und zwei weitere Objekte, wahrscheinlich Spannkanallager, in 270 mm Tiefe. Die schlaffe Bewehrung wird in etwa 60 mm Tiefe abgebildet. Eine weitere Reflexion im rechten Bildbereich, die wie die Spannkanäle die Rückwand abschattet, hat unklaren Ursprung. In Bild 7 sind alle Objekte eingezeichnet.

Bild 5: Querschnitt durch die Bodenplatte einer Stahlbetonbrücke: B-Bild.

Bild 6: Querschnitt durch die Bodenplatte einer Stahlbetonbrücke: SAFT-Rekonstruktion.

Bild 7: Querschnitt durch die Bodenplatte einer Stahlbetonbrücke: SAFT-Rekonstruktion mit eingezeichneten Objekten.

7. Ausblick

Das SAFT-Rekonstruktionsverfahren und ergänzende Algorithmen der Signalverarbeitung sind weit genug entwickelt, um für eine Vielzahl von Prüfaufgaben im Bauwesen einsetzbar zu sein. Bei Prüfaufgaben vor Ort wird vor allem eine Meßtechnik vermißt, die es erlaubt, flächige Aperturen schnell und zuverlässig abzutasten. Bisherige Ansätze mit Laservibrometern und Prüfkopfarrays [4, 11] weisen in diese Richtung, sind aber für ständige Praxiseinsätze noch nicht genügend ausgereift. Eine weitere Möglichkeit stellt die Weiterentwicklung von Koppelmitteln und -methoden dar. Hierzu werden am berichtenden Institut Versuche durchgeführt.

Danksagung

Teile der Untersuchungen wurden im Auftrag und mit finanzieller Unterstützung der Bundesanstalt für Straßenwesen (BASt) durchgeführt.

Literatur

1. Doctor, S.R.; Hall, T.E.; Reid, L.D.: „SAFT – The Evolution of a Signal Processing Technology for Ultrasonic Testing". NDT International 19 (1986) 163–167
2. Schmitz, V.; Müller, W.: „Evaluation and Interpretation of SAFT Images"; Acoustical Imaging, Vol. 23. New York: Plenum Press, 1997
3. Schickert, M.: „Towards SAFT-Imaging in Ultrasonic Inspection of Concrete"; G. Schickert, H. Wiggenhauser (Eds.): Proc. Int. Symp. Non-Destructive Testing in Civil Engineering 1995. Berlin: DGZfP, 1995, 411–418
4. Krause, M.; et. al.: „Comparison of Pulse-Echo Methods for Testing Concrete". NDT&E International 30 (1997) 195–204
5. Schickert, M.: „Ein empirisches Modell der frequenzabhängigen Schallschwächung von Beton"; DGZfP-Jahrestagung 1998 Zerstörungsfreie Materialprüfung, Bamberg, 7.–9.9.1998. Berlin: DGZfP, 1999, 233–240
6. Schickert, M.: „Ein empirisches Modell der Dispersion von Ultraschall in Beton"; DGZfP-Jahrestagung 1999 Zerstörungsfreie Materialprüfung, Celle, 10.–12.5.1999. Berlin: DGZfP, 1999, 559–566
7. Schickert, M.: „Einfluss der frequenzabhängigen Schallschwächung auf die Ultraschall-Laufzeitmessung an mineralischen Stoffen"; DGZfP-Jahrestagung 1994 Zerstörungsfreie Materialprüfung, Timmendorfer Strand, 9.–11.5.1994. Berlin: DGZfP, 1995, 479–485
8. Schickert, M.: „Erhöhte Abbildungsgenauigkeit bei der Ultraschallprüfung von Beton durch SAFT mit nichtlinearen Zeitskalen"; DACH Jahrestagung Zerstörungsfreie Materialprüfung 1996, Lindau, 13.–15.5.1996. Berlin: DGZfP, 1996, 447–452
9. Jansohn, R.: Private Kommunikation, 1999
10. Jansohn, R.; Schickert, M.: "Objective Interpretation of Ultrasonic Concrete Images"; 7th European Conference on Non-Destructive Testing (ECNDT), Kopenhagen, 26.–29.5.1998. Broendby, Dänemark: 7th ECNDT, 1998, 808–815
11. Krause, M.; Wiggenhauser, H.; Krieger, J.: Anwendung zerstörungsfreier Prüfverfahren bei Betonbrücken; Teil II: Detailuntersuchungen. Bergisch-Gladbach: Bundesanstalt für Straßenwesen, 2000
12. Krieger, J.; Krause, M.; Wiggenhauser, H. (Hrsg.): Erprobung und Bewertung zerstörungsfreier Prüfmethoden für Betonbrücken. Bergisch-Gladbach: Bundesanstalt für Straßenwesen, Heft B 18, 1998

© NDT.net - info@ndt.net

|Top|