DGZfP-JAHRESTAGUNG 2002

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Ultraschallecho an Beton - Definition von Kenngrößen zur Beurteilung der Leistungsfähigkeit von bildgebenden Verfahren

D. Streicher, M. Krause, Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung Berlin;
O. Kroggel, Technische Universität Darmstadt;
M. Schickert, Materialforschungs- und -prüfanstalt an der Bauhaus-Universität Weimar;
W. Müller, Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren Saarbrücken
Kontakt: D. Streicher, M. Schickert

Zusammenfassung

Durch die Entwicklung verschiedener Longitudinal- und Transversalwellenprüfköpfe, der variierenden Prüfkopfanordnung und -anzahl in Arrays sowie der verwendeten Erregerfrequenzen stehen derzeit mehrere Ultraschall-Verfahren für Untersuchungen an Betonbauteilen im Echobetrieb zur Verfügung. Darüber hinaus können verschiedene Verfahren für die Auswertung der Messergebnisse, u. a. SAFT-Rekonstruktionsberech-nungen (Synthetic Aperture Focusing Technique), genutzt werden.

Um die Leistungsfähigkeit der Verfahren spezifizieren und auch vergleichen zu können, sind geeignete Kenngrößen erforderlich.

Zu diesem Zweck wurden vorerst drei Kenngröße - das Signal/Rausch-Verhältnis s, die Laterale Auflösung D x und die Gleichmäßigkeit der Abbildung g - definiert und auf Untersuchungsergebnisse zu einem bekannten Prüfobjekt angewendet. Dabei handelt es sich um eine Bohrung in einem Betontestkörper aus Normalbeton B 35, die parallel zur Messfläche eingebracht wurde.

In diesem Beitrag werden die Definitionen und die am Beispiel der Bohrung ermittelten Kenngrößen vorgestellt. Es soll gezeigt werden, dass anhand der vorgestellten Definitionen die Kenngrößen für jedes Verfahren prinzipiell ermittelt werden können. Eine Beurteilung der Werte kann derzeit noch nicht erfolgen. Dazu müssen sich Untersuchungen an weiteren bekannten Objekten anschließen, u. a. auch an gezielt konzipierten Testkörpern, an denen die Einflüsse ausgewählter Objekteigenschaften auf die verfahrensabhängigen Kenngrößen untersucht werden sollen.

Keywords:
Betonbauteile, Ultraschallecho-Verfahren, Signal/Rausch-Verhältnis, Laterales Auflösungsvermögen, Gleichmäßigkeit der Abbildung

Einleitung

Durch die Entwicklung in den letzten Jahren existieren bereits mehrere bildgebende Ultraschallecho-Verfahren, die für Strukturaufklärungen von Betonbauteilen auch bei einseitiger Zugänglichkeit der Untersuchungsobjekte eingesetzt werden können. Im Rahmen eines Arbeitspaketes in dem von der DFG geförderten Forschungsvorhaben "Zerstörungsfreie Strukturbestimmungen von Bauteilen mit akustischen und elektromagnetischen Echo-Verfahren" (Forschergruppe 384) wird ein systematischer Vergleich der Verfahren angestrebt.

Der Vergleich bezieht sich auf folgende Verfahren:

  • SAFT-Rekonstruktion entlang linearer Apertur (MFPA Weimar) [1],
  • Flächige Apertur in S/E-Anordnung (BAM Berlin) [2],
  • Ultraschall-Array mit zehn Prüfköpfen (BAM Berlin) [2],
  • Scannendes Laservibrometer (BAM Berlin) [2],
  • Array mit Punktkontakt-Transversalwellen-Prüfköpfen (TU Darmstadt) [3].

Für die Beurteilung der Leistungsfähigkeit der einzelnen Verfahren ist es erforderlich, geeignete Kenngrößen zu definieren, die auf die Ergebnisse aller Messverfahren anwendbar sind. Perspektivisch sollen sie helfen, aus den zur Verfügung stehenden Verfahrensmodifikationen für die Prüfaufgaben die jeweils geeignetste auszuwählen.

Vorerst wurden drei Kenngrößen ausgewählt: das Signal/Rausch-Verhältnis s, die Laterale Auflösung D x und die Gleichmäßigkeit der Abbildung g.

Die erste Anwendung der definierten Kenngrößen erfolgte an bereits vorhandenen Ergebnissen aus Vergleichsmessungen an einem bekannten Prüfobjekt.

Dabei handelt es sich um eine Bohrung in einem 50 cm dicken Betontestkörper aus Normalbeton B 35 (Zuschlag: Rundkorn, Größtkorn: 8 mm). Die 45 cm tiefe Bohrung wurde parallel zur Messfläche eingebracht. Die Betondeckung über dem Scheitelpunkt beträgt 31,5 cm und der Durchmesser der Bohrung 8,0 cm.

Der Stand der bisherigen Betrachtungen, d. h. die Definitionen der Kenngrößen und ausgewählte Beispiele der ersten Anwendung, wird in den folgenden Abschnitten vorgestellt.

Signal/Rausch-Verhältnis s

Zur Quantifizierung des Signal/Rausch-Verhältnisses s wird das Verhältnis der maximalen Objektamplitude omax zum Effektivwert des vor der Objektanzeige auftretenden Rauschens angegeben:

in dB.

Dieses "Vordere Rauschen" rV ist aus einer sinnvollen Umgebung vor dem Signal auszuwählen. Optional kann der Rauschwert als Effektivwert in dem Bereich, der sich ausgehend von der Ordinate des Maximums als Abstand zwischen der einfachen und doppelten Halbwertsbreite des Signals ergibt, ermittelt werden.

Entsprechend den in der Ultraschalltechnik üblichen Kriterien sind Objektamplituden signifikant, wenn das Signal/Rausch-Verhältnis s mindestens 6 dB beträgt.

Die Abbildung 1 zeigt als Beispiel ein mittels LSAFT (Lineares SAFT) rekonstruiertes B-Bild, das aus Impuls/Echo-Messungen entlang einer linearen Apertur berechnet wurde (MFPA Weimar).

Abb 1: LSAFT-B-Bild - Abbildung der Bohrung bei z = 320 mm und der Rückwand des Testkörpers bei z = 510 mm.

Für die in der Messtiefe z = 320 mm markierte Anzeige der Bohrung ergibt sich mit dem "Vorderen Rauschen" aus dem rechteckig eingefassten Bereich (Messtiefe von 70 mm bis etwa 300 mm) ein Signal/Rausch-Verhältnis s von 13 dB.

Laterale Auflösung Dx

Für die Laterale Auflösung D x in der x/y-Ebene wird der Anstiegsweg zwischen 10 % und 90 % der Objektamplitude betrachtet, z. B.:

Dx = x90%- x10% in mm.

Die Objektbegrenzung wird beim halben Anstiegsweg x50% angenommen.

Bei dem durch das bei der BAM Berlin angewendete Ultraschall-Array-Echoverfahren mit zehn Longitudinalprüfköpfen wurde die Fläche über der Bohrung zweidimensional abgetastet. Durch SAFT-Rekonstruktionen (ausgeführt im IZFP Saarbrücken) wurden für den untersuchten Volumenbereich u. a. tiefenabhängige SAFT-C-Bilder erzeugt.

In der Abbildung 2 ist ein solches SAFT-C-Bild über den für die Bohrung relevanten Tiefenbereich von z = 306 mm bis 328 mm dargestellt. Die Bestimmung der Lateralen Auflösung erfolgt an dem unmittelbar über dem Scheitelpunkt der Bohrung verlaufenden Horizontalplot (Abb. 3).

Abb 2: Skizze des Testkörperabschnittes mit Bohrung, eingezeichnet die Start- und Endmesspositionen sowie das SAFT-C-Bild für den Projektionsbereich z = 306 mm - 328 mm Abb 3: Horizontalplot aus dem SAFT-C-Bild über dem Scheitel der Bohrung

Gemäß der Definition resultiert aus den Daten eine objektbezogene Laterale Auflösung Dx von 50 mm.

Die Objektbegrenzung x50% wird entsprechend dem gewählten Koordinatensystem (siehe Abb. 2) bei 325 mm erwartet. Tatsächlich endet die Bohrung bei x = 340 mm. Für das aufgeführte Beispiel zum lateralen Auflösungsvermögen ergibt sich somit eine Abweichung von 15 mm, prozentual bezogen auf 340 mm 4 %.

Gleichmäßigkeit der Abbildung g

Die Gleichmäßigkeit g der Abbildung eines reflektierenden Objektes, dem gleichmäßiges Reflexionsverhalten unterstellt werden kann, wie z. B. dem Scheitelbereich einer Bohrung parallel zur Messfläche, wird durch einen einzigen Wert, dem Verhältnis zwischen Spitzen- und Effektivwert der Objektamplituden unter Berücksichtigung des Rauschens beschrieben. Die Größe o umfasst dabei alle Amplituden, die dem Objekt zuzuordnen sind:

in dB.

Betrachtungen der Gleichmäßigkeit g werden nachfolgend anhand der Messungen mit einem Array aus 24 Punktkontakt-Transversalwellen-Prüfköpfen durch die Universität Darmstadt aufgezeigt. Abbildung 4 veranschaulicht die Beurteilungsschritte.

Abb. 4a: C-Bild bei z = 306 mm
Abb. 4b: Klassifizierung der Amplitudenwerte in Farbstufen
Abb. 4c: Gauß-Verteilungen für die Bohrung und den ungestörten Bereich
Abb 4: Schritte zur flächigen Beurteilung der Gleichmäßigkeit.

Ausgehend von dem C-Bild in der Probekörpertiefe 306 mm (Abb. 4 a) werden die Amplitudenwerte klassifiziert und in Abbildung 4 b farbabgestuft dargestellt. Im nächsten Schritt gehen die Amplitudenwerte der hellfarbigen Bereiche als Bohrungsanzeigen in die statistische Beschreibung ein. Die übrigen Bildpunkte werden als Amplitudenwerte für den "ungestörten" Messbereich zusammengefasst.

Aus der statistischen Auswertung ergeben sich für die beiden Bereiche die in der Abbildung 4 c dargestellten Gauß-Verteilungen. Demnach resultiert mit Werten von omax = 217 = 152 , = 59 und eine Gleichmäßigkeit g von 5 dB.

Übersicht bersicht der am Prüfobjekt - Bohrung im Betontestkörper - ermittelten Kenngrößen

Am Prüfobjekt wurden Messungen mit sieben verschiedenen Ultraschall-Echo-Verfahren durchgeführt. Die Verfahren unterscheiden sich hinsichtlich Aperturaufbau, der Prüfkopfeigenschaften, der erzeugten Wellenart und der Erregerfrequenz.

Entsprechend den vorgestellten Definitionen wurden beispielgebend die Kennwerte für das Signal/Rausch-Verhältnis s, die Laterale Auflösung D x, die Objektbegrenzung x50 % und die Gleichmäßigkeit g ermittelt und in der nachfolgenden Tabelle zusammengestellt.

Lfd. Nr. Verfahren Signal/ Rausch-Verhältnis Laterale Auflösung Gleichmäßigkeit
  (Mittenfrequenz in kHz/ Wellenlänge in mm) s D x Ortung
x 50%
g
    dB mm mm dB
1 Lineare Apertur in Impuls/Echo- Technik (400/ 10) 15 27 317  
2 Flächige Apertur in S/E-Anordnung (85/ 47) 10 37 327 4
3 Flächige Apertur in S/E-Anordnung (150/ 27) 15 30 340  
4 Array mit zehn Prüfköpfen (85/ 47) 21 50 325 3
5 Array mit zehn Prüfköpfen (150/ 27) 12 25 343  
6 Scannendes Laservibrometer (100/ 40) 8 28 340 5
7 Array mit Punktkontakt- Transversalwellen-Prüfköpfen (55/ 47) 16 20 320 5
Tabelle 1: Übersicht der ermittelten Kenngrößen

Am Beispiel der Bohrung als bekanntes Prüfobjekt wird deutlich, dass die Kenngrößen anhand der vorgestellten Definitionen prinzipiell ermittelt werden können.

Bei der Erarbeitung zeichnete sich aber auch ab, dass in Hinblick auf die Definitionsbereiche verschiedene sinnvolle Begrenzungen möglich sind. Modifikationen der Definitionen, speziell bei der Gleichmäßigkeit g und dem Signal/Rausch-Verhältnis s, können somit Resultat weiterführende Untersuchungen sein.

Für die Bohrung wurden Signal/Rausch-Verhältnisse ermittelt, die mit Werten von 8 dB bis 21 dB eine große Schwankungsbreite aufweisen. Die Ergebnisse der lateralen Auflösung, einschließlich der daraus resultierenden Objektbegrenzungen, erscheinen zum jetzigen Zeitpunkt als realistisch. Die Ergebnisse der Gleichmäßigkeit stellen zunächst Anhaltswerte dar.

Eine Beurteilung der Kenngrößen, insbesondere zum Vergleich der Verfahren, sind zum jetzigen Zeitpunkt noch nicht möglich. Untersuchungen an weiteren bekannten Objekten müssen sich anschließen.

Für den systematischen Vergleich der Verfahren sind speziell konzipierte Testkörper geplant, an denen der Einfluss ausgewählter Objekteigenschaften auf die verfahrensabhängigen Kenngrößen untersucht werden sollen.

Danksagung

Die vorliegende Arbeit wurde im Rahmen der Forschergruppe "Zerstörungsfreie Strukturbestimmung von Betonbauteilen mit akustischen und elektromagnetischen Echo-Verfahren" unter FOR 384 von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) gefördert. Weitere Informationen zu diesem Projekt findet man im Internet unter http://www.for384.uni-stuttgart.de/.

Literatur

  1. Schickert, M.: "Anwendung der SAFT-Rekonstruktion bei der Betonprüfung mit Ultraschall"; DACH-Jahrestagung 2000, Innsbruck, 29.-31.5.2000. Berlin: DGZfP, 2000, 537-546
  2. Mielentz, F., Milman, B., Krause, M. und H. Wiggenhauser: Praxiseinsatz eines Ultraschallecho-Verfahrens zur Strukturuntersuchung von Betonbauteilen in: DGZfP (Hrsg.); Fachtagung Bauwerksdiagnose - Praktische Anwendungen Zerstörungsfreier Prüfungen, 21.-22. Januar 1999 in München, DGZfP-Berichtsband 66-CD (1999) Poster 3
  3. Kroggel, O., Scherzer J.: The detectability of improper filled ducts with Ultrasound Reflection Techniques. Darmstadt Concrete Vol. 16, Darmstadt 2001
  4. Krause, M., Wiggenhauser, H., Müller, W., Kostka, J. und K. Langenberg: Ultrasonic bridge inspection using 3D-SAFT in: Fahlstedt, K. (Ed.); Proceedings of the CIB World Building Congress, Symposium A, Gävle, Schweden, 7.-12. June 1998, Gävle: KTH Built Environment (1998) pp. A 87
  5. Schickert, M., Schnapp, J. D., Kroggel, O., Jansohn, R.: Ultraschallprüfung von Beton: Verbesserte Objekterkennung durch stochastische Methoden in: DGZfP- Jahrestagung 21.-23.05.2001 in Berlin, DGZfP-Berichtsband auf CD, Vortrag 44, Berlin (2001)
  6. Krause, M., Mielentz, F., Milman, B., Wiggenhauser, H., Müller, W. und V. Schmitz: Ultrasonic Imaging of Concrete Members Using an Array System INSIGHT Vol. 42 (2000) 7, pp. 447-450
  7. Kroggel, O., Jansohn, R.; Scherzer, J.: Der transparente Beton. Beton- und Stahlbetonbau, März 2001

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