DGZfP-JAHRESTAGUNG 2002

ZfP in Anwendung, Entwicklung und Forschung

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Geometrieeffekte und Hüllrohrortung bei der Impaktecho-Prüfung von Betonbauteilen - Experimentelle und modelltheoretische Ergebnisse

Regine Lausch, BAM, Berlin; Herbert Wiggenhauser, BAM, Berlin;
Frank Schubert, Fraunhofer-IZFP/EADQ, Dresden
Kontakt: R. Lausch

Zusammenfassung

Bei der Errichtung von Spannbetonbauwerken und der Verwendung immer leistungsfähigerer Betone werden die Anforderungen an eine hochwertige und fehlerlose Bauausführung stetig höher.

Zur Vermeidung von Baumängeln und damit zur Sicherung der Tragfähigkeit, sowie zur Erhöhung der Lebensdauer eines Bauwerks ist eine Qualitätsüberwachung bzw. - kontrolle notwendig. Die Hüllrohrortung und die Bestimmung des Verpresszustandes ist demzufolge eine Aufgabe, der im Bauwesen eine wachsende Bedeutung zukommt.

An einem Betonprobekörper mit drei Hüllrohren mit unterschiedlichen Verpresszuständen wurden Messungen durchgeführt, mit dem Ziel, diese zu orten und Aussagen über den Verfüllzustand zu machen.

Die Position der Hüllrohre im Betonprobekörper konnte eindeutig bestimmt werden. Es war nicht möglich, die Tiefenlage zu ermitteln. Nach der Einbringung und Verpressung eines Stabstahles in eines der Hüllrohre waren signifikante Veränderungen im Impaktechogramm zu erkennen, so dass die beiden Verfüllzustande voneinander zu unterscheiden waren.

Gerade bei begrenzter Probekörpergeometrie ist zu beobachten, dass die Impaktechogramme mit regelmäßigen Mustern überlagert werden (Geometrieeffekte). Diese werden hauptsächlich durch die an den seitlichen Bauteilbegrenzungen reflektierten Wellenanteile ausgelöst, erkennbar in den EFIT-Simulationen, welche qualitativ sehr gut mit den experimentellen Befunden übereinstimmen.

Keywords
Impaktecho, FOR384, Geometrieeffekte, Numerische Simulation, Hüllrohr

Einleitung und Problemstellung

Seit Mitte der 80er Jahre wird das Impaktecho-Verfahren zur zerstörungsfreien Prüfung von Bauteilen eingesetzt [Ref 1, 2, 5, 6 & 8]. Die Einsatzgebiete sind sehr vielfältig und reichen von der einfachen Dickenbestimmung bis hin zur Lokalisierung von Fehlstellen und Hüllrohren. Die Hüllrohrortung bzw. die Bestimmung des Verpresszustandes ist eine anspruchsvolle und schwierige Aufgabe, bei der noch viele Fragen zu klären sind. Aber die zuverlässige Lösung dieser Aufgabe wird in Hinblick auf die Vielzahl der alternden Spannbetonbrücken weltweit immer wichtiger.

Bei begrenzter Geometrie des Bauteils sind Störeinflüsse zu beobachten, die eine Auswertung der Daten erschweren, verhindern oder zu Fehlinterpretationen führen. Um die Mechanismen der elastischen Wellenausbreitung besser zu verstehen und den Einfluss von Geometrieeffekten auf das Messergebnis herauszuarbeiten, wurden im Rahmen einer netzbasierten DFG-Forschergruppe FOR 384 [Ref 4] Messungen und numerische Simulationsrechnungen an einer Betonplatte mit zum Teil verpressten Hüllrohren durchgeführt und verglichen.

Grundlagen des Impaktecho-Verfahrens

Das Impaktecho-Verfahren ist ein akustisches Prüfverfahren, welches eine Analyse im Frequenzbereich für die Interpretation der Daten benutzt. Auf der Oberseite des Bauteils werden durch einen kurzzeitigen Schlag mit einer Stahlkugel elastische Wellen generiert. Der Frequenzgehalt des Anregungsspektrums wird maßgeblich von der Dauer des Impaktes bestimmt. An Grenzflächen innerhalb der Struktur kommt es bei einer änderung der akustischen Impedanz zu Reflexionen der Welle. Diese werden mittels eines Sensors, welcher in der Nähe des Anregungspunktes positioniert ist, aufgezeichnet. Das Signal wird digitalisiert und auf einen Rechner übertragen, wo die mathematische Transformation vom Zeit- in den Frequenzbereich erfolgt. Dominante Frequenzen infolge der Vielfachreflexionen der Wellen innerhalb des Bauteils werden im Spektrum angezeigt. Die Reflektortiefe d lässt sich dann bei bekannter Ausbreitungsgeschwindigkeit v der Wellen über die Beziehung

aus der Frequenz f berechnen.

Abb 1: Prinzip des Impaktecho-Verfahrens Abb 2: Impaktechogramm = Aneinanderreihung von Einzelspektren, resultierend aus Messungen entlang von Linien mit äquidistanten Punktabständen

Mit dem von der BAM entwickelten Messrahmen ist es möglich, die Oberfläche des Probekörpers in einem gleichmäßigen Raster abzutasten. Die Daten werden in einem Impaktechogramm bildlich dargestellt. Dieses stellt eine Aneinanderreihung der Frequenzspektren resultierend aus den Messungen entlang von Linien mit äquidistanten Punktabständen dar. Im Gegensatz zur traditionellen Einzelpunktauswertung wird eine wesentlich bessere Visualisierung der Messungen erreicht. Insbesondere Geometrieeffekte werden dadurch sichtbar gemacht.

Messdurchführung und Simulation

Beschreibung des Probekörpers
Im Rahmen der DFG-Forschergruppe (FOR 384) wurden Untersuchungen an einer 30 cm dicken Betonplatte (1,50 m ´ 2,00m) durchgeführt. Die Platte wurde einseitig mit Stabstahl (Ø 12 / 25) in Längs- und Querrichtung bewehrt. Beim Beton handelte es sich um einen B25 mit einem Größtkorn von 32 mm. In den Probekörper wurden 3 Hüllrohre (Ø 40 mm) in verschiedenen Tiefenlagen (60, 80 und 100 mm) eingebaut. Im Hüllrohr 1 wurde ein Stabstahl (Ø 30 mm) vollständig verpresst, Hüllrohr 2 wurde mit Verpressmörtel bereichsweise verfüllt und Hüllrohr 3 war leer.

Abb 3: Zeichnung des Probekörpers mit Abmessungen

Experimenteller Aufbau

Die Messungen wurden zum einen automatisiert (Abb. 4), mit dem von der BAM entwickelten Messrahmen (Hammer und Sensor von OLSON Instruments INC), und zum anderen manuell unter Verwendung eines DOCter-Gerätes entlang von Linien mit einem Punktabstand von 1 cm quer und längs zu den Hüllrohren bei z = 25 cm durchgeführt.

Messlinie xAnfang / cm xEnde / cm yAnfang / cm yEnde / cm
1 (Messlinie ohne Hüllrohreinfluss) 165 165 4 148
2 (vor Verpressung der Hüllrohre) 6 138 75 75
3 (nach Verpressung der Hüllrohre) 6 165 75 75
Tabelle 1: Koordinaten der Messlinien

Die Signale wurden über einen Sensor registriert und in einem externen Rechner gespeichert. Jedes erfasste Signal besteht aus 2048 Datenpunkten, aufgenommen mit einer Abtastrate von 150375 Hz. Daraus resultiert eine minimale Frequenzauflösung von 73,2 Hz.

Abb 4: Probekörper mit automatisierter Messdurchführung

Numerisches Modell

Parallel zu den Experimenten werden numerische Simulationsrechnungen zur Wellenausbreitung in dem untersuchten Betonprobekörper durchgeführt.

Dazu wird der Probekörper zunächst diskretisiert, d.h. in eine große Anzahl rechteckiger Gitterzellen zerlegt. Das zeitliche Verhalten des Wellenfeldes kann dann mittels EFIT-Diskretisierung der elastodynamischen Kontinuumsgleichungen numerisch berechnet werden (EFIT: Elastodynamische Finite Integrationstechnik [Ref 3]). Abhängig von Art und Umfang des untersuchten Prüfproblems kommen zwei- oder dreidimensionale Algorithmen zum Einsatz.

Abbildung 5 zeigt als Beispiel die 3D-Simulation einer Impaktecho-Einzelpunktmessung an dem beschriebenen Betonprobekörper. Im rechten Teilbild dargestellt ist das elastische Wellenfeld 241,4 µs nach Beginn der Impaktanregung. Die im Modell verwendeten Materialparameter findet man in [Ref 7]. Das Signal enthält Frequenzen bis ca. 33kHz. Das gesamte Modell besteht aus rund 2,3 Millionen Gitterzellen.

Abb 5: 3D-EFIT-Simulation einer Impaktecho-Einzelpunktmessung. Links: Diskretes Modell inklusive schlaffer Bewehrung, Hüllrohren, Zuschlag und Poren. Rechts: Zeitschnappschuss des elastischen Wellenfeldes 241.4 µs nach Beginn der Impaktanregung (Zuschlag aus Darstellungsgründen nicht sichtbar)

Messergebnisse

Im Probekörperbereich ohne Hüllrohreinfluss lässt sich die Frequenz des Rückwandechos im Impaktechogramm (Abb. 6, rechts) gut ablesen. Sie beträgt 8,22 kHz. Da die Plattendicke bekannt war, konnte somit die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Wellen in der Platte exakt bestimmt werden. Sie ergab sich zu 4110 m/s.

Neben der Rückwandfrequenz ist zusätzlich ein rautenförmiges Muster zu erkennen (Abb. 6, rechts), welches den gesamten Frequenzbereich überlagert. Diese Interferenz führt zu einer bereichsweisen Verstärkung bzw. Minderung der Amplituden.

Abb 6: Messlinie 1 im Probekörperbereich ohne Hüllrohreinfluss. Links: Zeit-B-Scan, rechts: Impaktechogramm

Betrachtet man nun die aneinandergereihten Zeitsignale, eine Darstellung, ähnlich einem Radargramm oder einem B-Bild im Ultraschall, so sieht man die Mehrfachreflexionen an der Plattenrückwand, sowie die Reflexionen der Oberflächenwellen an den seitlichen Begrenzungsflächen des Probekörpers.

Die Messlinie 2 überquert die drei leeren Hüllrohre. Eine direkte Ortung dieser Hüllrohre ist jedoch nicht möglich, d.h. es sind keine direkten, zur jeweiligen Hüllrohrtiefe korrespondierenden Reflexionen im Impaktechogramm (Abb. 7, rechts) zu erkennen. Somit konnte die Tiefenlage der Hüllrohre nicht bestimmt werden. Das Impaktechogramm weist jedoch signifikante Veränderungen auf.

Abb 7: Messlinie 2 quer zu den unverpressten Hüllrohren. Links: Zeit-B-Scan, rechts: Impaktechogramm

Es sind drei Bereiche zu erkennen, in denen sich die Frequenz des Rückwandechos in Richtung niedrigerer Frequenzen verschiebt. Zur Bestimmung der Hüllrohrposition wurden die Amplituden der unverschobenen normierten Rückwandfrequenz über den Ort aufgetragen und aus den lokalen Minima die Hüllrohrlage ermittelt, mit der Annahme, dass diese Amplitude genau über dem Scheitelpunkt des Hüllrohres einen minimalen Wert (siehe Abb. 8) annimmt. Die so ermittelten Hüllrohrpositionen stimmen gut mit der jeweiligen tatsächlichen Lage des Hüllrohres überein, wie der Tabelle 2 zu entnehmen ist.

Abb 8: Amplitudenverlauf der Frequenz f = 8,2 kHz (Dickenresonanz) entlang der Messlinie 2. Die Amplituden wurden normiert auf die Maximalamplitude im Frequenzbereich von 7 bis 9 kHz

Im Zeit-B-Bild (Abb. 7, links) sind neben den zuvor im Plattenbereich ohne Hüllrohreinfluss (Messlinie 1) beobachteten Mehrfachreflexionen der Rückwand und den seitlichen Reflexion an den Bauteilbegrenzungskanten, schwach die Laufzeithyperbeln der Hüllrohre zu erkennen.

  Hüllrohr 1 Hüllrohr 2 Hüllrohr 3
xMesswert / cm 45 88 127
xtatsächlich / cm 45 85 125
Tabelle 2: Vergleich der gemessenen und tatsächlichen Hüllrohrpositionen

Nach Einbringung und Verpressung eines Spannstahles in das Hüllrohr 1 veränderte sich das Signal bei Querung dieses Hüllrohres. Beim Vergleich des Impaktechogramms in Abbildung 7 (unverpresste Hüllrohre) mit dem in Abbildung 9 (nach Verpressung des Hüllrohres) wird dieses sehr deutlich. Neben der Frequenzverschiebung des Rückwandechos im Einflussbereich des verfüllten Hüllrohres treten zusätzlich hyperbelförmige seitlich verschobene Reflexionen oberhalb der unverschobenen Rückwandfrequenz auf. Die Entstehungsmechanismen dieses Frequenzbogens konnten bisher noch nicht geklärt werden, hier sind weitere Versuche und Simulationsrechnungen geplant.

Abb 9: Messlinie 3, nach Verpressung von Hüllrohr 1. Impaktechogramm

Simulationsergebnisse

Um die im Abschnitt zuvor beschriebenen Impaktechogramme zu simulieren, ist es notwendig, eine große Anzahl von Einzelmessungen (i.d.R. 100-200) an äquidistanten Messpunkten entlang einer Linie zu berechnen. Aus Rechenzeitgründen wurden in einem ersten Schritt 2D-Rechnungen an einem xz-Querschnitt des 3D-Modells bei y = 0,75 m durchgeführt. Dies erwies sich für Linien senkrecht zur Hüllrohrlängsachse als ausreichend gute Näherung, da die beobachteten Geometrieeffekte im Wesentlichen durch die parallel zur Hüllrohrlängsachse liegenden lateralen Bauteilbegrenzungen verursacht werden.

Um sämtliche Störeinflüsse auszuschalten, wurden die Rechnungen an einem homogenen Betonmodell ohne explizite Berücksichtigung von Zuschlag, Poren und Bewehrung durchgeführt. Die elastischen Materialparameter der homogenen Betonmatrix betrugen cL = 4100 m/s, cS = 2450 m/s und r =2350kg/m³. Entlang der 2 m langen Linie wurden insgesamt 100 Zeitsignale mit einem Messpunktabstand von jeweils 2 cm berechnet. Abgegriffen wurde die Normalkomponente der Teilchengeschwindigkeit auf der oberen Bauteilseite. Die zeitliche Dauer der Signale betrug 1 ms. Die Zeit-B-Bild-Darstellung der Signale entlang der berechneten Linie ist im linken Teilbild der Abbildungen 10 (Bauteil ohne Hüllrohre) und 11 (Bauteil mit unverpressten Hüllrohren) dargestellt. In Abbildung 10 (links) sind deutlich die waagerecht verlaufenden Mehrfachechos der Bauteilrückwand sowie die schräg verlaufenden Echoreflexe von den lateralen Grenzflächen zu erkennen.

Abb 10: Zeit-B-Bild-Darstellung (links) und Impaktechogramm (rechts) für den Fall 'Bauteil ohne Hüllrohre' (2D-EFIT-Simulation, homogene Betonmatrix ohne Bewehrung)

In Abbildung 11 (links) kommen zusätzlich noch die Laufzeithyperbeln der Hüllrohrechos hinzu. Bildet man aus beiden Bildern ein Differenzbild (Abb. 12, links), so erkennt man deutlich, dass die Rückwandechos durch den Einfluss der Hüllrohre zu niedrigeren Frequenzen hin verschoben werden.

Abb 11: Zeit-B-Bild-Darstellung (links) und Impaktechogramm (rechts) für den Fall 'Bauteil mit unverpressten Hüllrohren' (2D-EFIT-Simulation, homogene Betonmatrix ohne Bewehrung)

Die zugehörigen Impaktechogramme sind jeweils in den rechten Teilbildern der Abbildungen 10-12 dargestellt. In Abbildung 10 (rechts) erkennt man neben der dominierenden Grundfrequenz der Bauteilrückwand (bei ca. 8 kHz) auch noch die höheren Harmonischen. Durch die in Abbildung 10 (links) im Zeitbereich zu erkennenden seitlichen Reflexe von den lateralen Bauteilbegrenzungen werden im Frequenzbereich bogenförmige Muster erzeugt. Diese Geometrieeffekte verursachen eine Welligkeit in der ansonsten waagerechten und glatten Linie der Rückwandfrequenz und haben somit einen störenden Einfluss bei der exakten Dickenbestimmung des Bauteils. Der Einfluss dieser Effekte hängt nicht nur von der Bauteilgeometrie, sondern in starkem Maße auch von der relativen Lage des Messpunktes sowie vom verwendeten Zeitfenster ab.

Fügt man die Hüllrohre zum Modell hinzu, so erkennt man an den entsprechenden Stellen die Verschiebung der Rückwand zu niedrigeren Frequenzen (Abb. 11, rechts),. Bildet man anlog zu den Zeit-B-Bildern ein Differenzbild der beiden Impaktechogramme für den Fall mit und ohne Hüllrohre, so wird deren Lage ohne störende Geometrieeffekte noch deutlicher sichtbar (Abb. 12, rechts).

Abb 12: Zeit-B-Bild-Darstellung (links) und Impaktechogramm (rechts) berechnet als Differenz der jeweiligen Teilbilder in den Abbildungen 10 und 11.

Zusammenfassung und Ausblick

Die Position der Hüllrohre im Betonprobekörper konnte eindeutig bestimmt werden. Es war jedoch nicht möglich, eine Aussage über die Tiefenlage der einzelnen Hüllrohre zu treffen. Nach der Einbringung und Verpressung eines Stabstahles in eines der Hüllrohre waren signifikante Veränderungen im Impaktechogramm zu erkennen. Die Ursachen müssen noch anhand von weiteren Untersuchungen und Simulationsrechnungen geklärt werden.

Die in den 2D-Simulationen zu erkennenden Geometrieeffekte in den Impaktechogrammen, ausgelöst durch die an den seitlichen Bauteilbegrenzungen reflektierten Wellenanteile, stimmen qualitativ sehr gut mit den experimentellen Befunden überein.

Ein wichtiges Ziel der weiteren Arbeiten ist die systematische Untersuchung der Geometrieeffekt, um sie im Auswertealgorithmus möglichst effektiv zu unterdrücken und somit eine präzisere Bestimmung der Bauteildicke bzw. der Tiefenlage von Fehlstellen zu ermöglichen. Weitere Schwerpunkte im Rahmen der Forschergruppe FOR 384 sind Untersuchungen zum Einfluss von Zuschlag und Bewehrung sowie zur Detektion von verpressten und teilverpressten Hüllrohren.

Literatur

  1. Colla, C. & H. Wiggenhauser: Developments in Impact Echo for the investigation of concrete structures. Structural Material Technology: an NDT Conference, Atlantic City, NJ, 28 Feb - 3 March 2000, S. Alampalli (ed.), Technomic 2000, S. 350 - 356.
  2. Colla, C., G. Schneider, J. Wöstmann & H. Wiggenhauser: Automated Impact-Echo: 2- and 3-D Imaging of Concrete Elements. DGZfP Fachtagung Bauwerksdiagnose - Praktische Anwendungen Zerstörungsfreier Prüfungen, München 21.-22. Januar 1999. DGZfP-Berichtsband 66-CD (1999), S. 307-318.
  3. Fellinger, P., R. Marklein, K. J. Langenberg und S. Klaholz: Numerical modeling of elastic wave propagation and scattering with EFIT - Elastodynamic finite integration technique. Wave Motion 21, S. 47-66 (1995).
  4. http://www.for384.uni-stuttgart.de.
  5. Sack, D. A. & L. D. Olson: Advanced NDT methods for evaluating concrete bridges and other structures. NDT&E International, Vol. 28, No. 6, S. 349-357. U.K. 1995.
  6. Sansalone, M. J. & W.B. Streett: Nondestructive evaluation of concrete and masonry. Bullbrier Press, Ithaka, N.Y. 1997.
  7. Schubert, F., B. Köhler: 3D-Computersimulationen zur Verbesserung der Ergebnisinterpretation bei der Impaktecho-Prüfung von Betonbauteilen. DGZfP-Berichtsband 76 zur BauFach-Messe Leipzig, Fachtagung Bauwerksdiagnose - Praktische Anwendungen zerstörungsfreier Prüfverfahren, 25.-26. Oktober 2001, CD-ROM, Posterbeitrag P12, 2001.
  8. Krause, M., H. Wiggenhauser & J. Krieger: Materialtechnische Untersuchung beim Abbruch der Talbrücke Haiger - Durchführung von Ultraschall- und Impakt-Echo-Messungen. Abschlussbericht, FE-Nr. 86.017/2000/B4, BAM-Kennzeichen: Vorhaben 7318 (im Druck).

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/.

Die Autoren danken Dr. B. Köhler vom Fraunhofer-IZFP/EADQ in Dresden für die Bereitstellung des DOCter-Gerätes.

STARTHerausgeber: DGfZPProgrammierung: NDT.net